JP5267652B2 - 角度検出装置及び位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は優れた出力直線性を有する高精度で小型の角度検出装置及び位置検出装置に関する。

ガソリンエンジンのスロットルバルブ開度センサは、回転角（機械角）が約90°以内のスロットルバルブの回転角を検出するが、これにはポテンショメータ方式が使用されている。ポテンショメータ方式は、バルブの回転軸に取り付けられたブラシと固定された抵抗体とを用い、回転軸とともに回転するブラシが抵抗体を摺動することによるブラシと抵抗体の端部との間の抵抗値の変化から回転角を求める。ポテンショメータ方式は回路が簡便である反面、摺動部の経時変化に伴う信号の不安定さが問題になる。そこで、回転軸に取り付けた磁石から出た磁束の方向を磁気センサで検出することにより、回転軸の回転角を検知する非接触式の角度センサが提案された。

特開2008-281556号は、２極磁石を有する磁石回転子と、２極磁石からの磁束の方向を検出する磁気センサとを具備し、２極磁石は磁石回転子の回転軸線と直交する方向に着磁されており、磁気センサは複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が磁束の方向に応じて回転する自由層とを有する）を有する感磁面を有し、前記感磁面が磁束と交差して、前記感磁面内で直交する磁束密度成分同士の振幅の大きさが異なるように、磁気センサが磁石回転子に対して配置されている角度検出装置を開示している。この角度検出装置は高いセンサ出力の直線性（リニアリティー）を有し、高い精度で回転角を検出できる。しかし、さらに微小な回転角を高精度に検出することが求められ、出力直線性を更に向上する必要がある。

特公平7-119619号は、被検出軸に保持部材を介して取り付けられた永久磁石と、保持部材に所定の間隔で対向する磁気抵抗素子とを具備し、永久磁石の磁界を磁気抵抗素子で検出することにより被検出軸の回転角を求める角度センサであって、永久磁石及び磁気抵抗素子を被検出軸の軸芯の特定の半径方向にのみ配置した角度センサを開示している。しかし、この角度センサは磁場の強さを検知するが磁束の方向を検知するものではないので、回転角又は移動量を高精度に検出することはできない。

以上の通り従来の回転角又は移動量の検出装置では、高精度の前提となる出力の直線性が不十分であり、さらなる高精度化が望まれている。その上、カメラのレンズ鏡筒のように限られたスペースしかない用途では、高精度に回転角又は移動距離を検出する装置を小型化するという要望もある。

従って本発明の目的は、限られた回転角又は位置範囲における磁気センサの出力の直線性を更に向上し、微小な角度又は位置を高精度に検出し得るとともに小型化に適する装置を提供することである。

本発明の角度検出装置は、多極セグメント磁石を有する磁石回転子と、前記多極セグメント磁石からの磁束の方向を検出する磁気センサとを具備し、
前記多極セグメント磁石は前記磁石回転子の回転方向に沿って配列されたSNS又はNSNの3極又はNSの2極を有し、
前記磁気センサは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が磁束の方向に応じて回転する自由層とを有する）を有する感磁面を有し、
前記磁気センサは、前記感磁面が磁束と交差して前記感磁面内で直交する磁束密度成分同士の振幅の大きさが異なるとともに、前記磁石回転子の限られた回転角範囲で出力が直線性を示すように、前記磁石回転子に対して位置決めされており、
前記磁石回転子は前記磁気センサの出力が直線性を示す範囲内で揺動されることを特徴とする。

上記角度検出装置において、前記多極セグメント磁石はアーク状又は矩形状であるのが好ましい。

前記感磁面内で直交する実効磁束密度の振幅比K_eff＝B_⊥eff0／B_//eff0は0.6〜0.9又は1.1〜1.5であるのが好ましい。磁気センサの中心において、B_//0は磁石回転子の回転方向（円周方向）における磁束密度成分の振幅（数式に示すように0-P値（zero to peak）の振幅）に相当し、B_⊥0はB_//0に直交する磁束密度成分の振幅に相当する。B_⊥eff0は磁気センサの基板面（すなわち感磁面）にB_⊥0を投影したときの磁束密度成分の振幅に相当し、B_//eff0は磁気センサの基板面（すなわち感磁面）にB_//0を投影したときの磁束密度成分の振幅に相当するが、B_//0と同じになる。スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子のセンサブリッジは角度信号を出力するために、B_⊥eff0及びB_//eff0を検知するように配置する。B_⊥eff0及びB_//eff0は、角度検出装置から磁気センサを取り除いた後、磁気センサの中心に相当する位置でガウスメータにより測定することができる。

磁気センサより角度信号を得る上記角度検出装置の一例では、
前記磁気センサの中心と前記磁石回転子の回転軸線の距離が前記磁石回転子の回転半径（前記磁石回転子の回転軸線と回転する磁石の最外周との距離に相当する）より大きく、
前記複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されたセンサブリッジを構成しており、
前記センサブリッジで電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記磁気センサの感磁面が前記磁石回転子の回転軸線に対して傾いている。

磁気センサより角度信号を得る上記角度検出装置の別の例では、
前記磁気センサの感磁面の中心と前記磁石回転子の回転軸線の距離が前記磁石回転子の回転半径以下であり、
前記複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されたセンサブリッジを構成しており、
前記センサブリッジで電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記磁気センサの感磁面が前記磁石回転子の回転軸線に対して傾いている。

磁気センサより角度信号を得る上記角度検出装置のさらに別の例では、
前記磁気センサの感磁面の中心と前記磁石回転子の回転軸線の距離が前記磁石回転子の回転半径より大きく、
前記複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されたセンサブリッジを構成しており、
前記センサブリッジで電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記磁気センサの感磁面の中心が前記磁石回転子からその回転軸線方向に離れている。

磁気センサより角度信号を得る上記角度検出装置のさらに別の例では、
前記磁気センサの感磁面の中心と前記磁石回転子の回転軸線の距離が前記磁石回転子の回転半径以下であり、
前記複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されたセンサブリッジを構成しており、
前記センサブリッジで電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記磁気センサの感磁面の中心が前記磁石回転子からその回転軸線方向に離れている。

本発明の位置検出装置は、多極矩形磁石を有する直線可動子と、前記多極矩形磁石からの磁束の方向を検知する磁気センサとを具備し、
前記多極矩形磁石は前記直線可動子の直線的移動方向に沿ってSNS又はNSNの3極又はNSの2極を有し、
前記磁気センサは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁束の方向に応じて回転する磁気抵抗素子）を有する感磁面を有し、
前記磁気センサは、前記感磁面が磁束と交差して前記感磁面内で直交する磁束密度成分同士の振幅の大きさが異なるとともに、前記多極矩形磁石の限られた直線的移動範囲で出力が直線性を示すように、前記直線可動子に対して位置決めされており、
前記直線可動子は前記磁気センサの出力が直線性を示す範囲内で直線的に移動されることを特徴とする。

本発明の位置検出装置において、前記感磁面内で直交する実効磁束密度の振幅比K_eff＝B_⊥eff0／B_//eff0は0.5〜0.9又は1.1〜1.6であるのが好ましい。

本発明の角度検出装置及び位置検出装置のいずれかにおいて、前記磁気センサは複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子をブリッジ接続したセンサブリッジを2個有し、一方のセンサブリッジと他方のセンサブリッジは固定層磁化方向が感磁面内で互いに直交しているのが好ましい。ここで「直交」とは、図2を参照すると、一方のセンサブリッジX01内のVccxとVx1との間の磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向と、他方のセンサブリッジY01内のVccyとVy1との間の磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向とが直交していることを意味する。双方のセンサブリッジの感磁面は平行であり、かつ双方の感磁面は一つの面内に配置されているのが好ましい。

本発明の角度検出装置はリング磁石の代わりに多極セグメント磁石を有するので、優れた出力直線性を有するとともに小型化されており、カメラのレンズ鏡筒の変位センサ、自動車のアクセルペダル、スロットルバルブ開度センサ、ロボットの関節等のセンサ、トルクセンサ（微小検出角度とトルクとの関係からトルクを求める）等に用いることができる。特に揺動部材の動作角度（揺動角度）のように限られた範囲の角度（例えば±20°以内）の検出に好適である。また、微小領域の変位を検知するポジションセンサ、揺動モータ（半導体装置や測定装置の駆動用リニアモータやθステージ）、操舵装置、傾斜検出装置、ミラー駆動装置（画像読取装置やスキャナ）の位置検出に用いることができる。

また本発明の位置検出装置は多極矩形磁石を有するので、優れた出力直線性を有するとともに小型化されており、微小領域の直線運動を検知するポジションセンサ、揺動モータ（半導体装置や測定装置の駆動用リニアモータやθステージ）、操舵装置、傾斜検出装置、ミラー駆動装置（画像読取装置やスキャナ）の位置検出に用いることができる。また、カメラのレンズ鏡筒のリニア変位センサ、自動車のアクセルペダル、スロットルバルブ開度センサ、ロボットの関節等のセンサ、トルクセンサ（微小検出角度とトルクとの関係からトルクを求める）等に用いることができる。

磁石の磁束と磁気センサとの位置関係を示す上面図である。 図1(a) のA-A断面図である。 本発明の角度検出装置及び位置検出装置に用いる磁気センサを示す上面図である。 図2(a) の磁気センサにおけるスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子のセンサブリッジX01を示す図である。 図2(a) の磁気センサにおけるスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子のセンサブリッジY01を示す図である。 参考例1の角度検出装置を示す上面図である。 図3(a) の角度検出装置を示す側面図である。 図3に示す角度検出装置の出力を示すグラフである。 図3に示す角度検出装置の検出角度及び角度検出誤差を示すグラフである。 配置Aの角度検出装置を示す上面図である。 配置Aの角度検出装置を示す側面図である。 配置Bの角度検出装置を示す上面図である。 配置Bの角度検出装置を示す側面図である。 図5(a) に示す角度検出装置の出力を示すグラフである。 図5(a) に示す角度検出装置の検出角度及び角度検出誤差を示すグラフである。 実効磁束密度振幅比K_effと角度検出誤差との関係を示すグラフである。 参考例2の角度検出装置を示す部分断面上面図である。 図8(a) の角度検出装置を示す縦断面図である。 参考例2の角度検出装置において、センサ出力と回転角との関係を示すグラフである。 参考例2の角度検出装置において、検出角度及び角度検出誤差と回転角との関係を示すグラフである。 参考例3の角度検出装置を示す部分断面上面図である。 図10(a) の角度検出装置を示す縦断面図である。 参考例3の角度検出装置において、センサ出力と回転角との関係を示すグラフである。 参考例3の角度検出装置において、検出角度及び角度検出誤差と回転角との関係を示すグラフである。 実施例1の角度検出装置を示す部分断面上面図である。 図12(a) の角度検出装置を示す側面図である。 実施例1の角度検出装置において、センサ出力と回転角との関係を示すグラフである。 実施例1の角度検出装置において、検出角度及び角度検出誤差と回転角との関係を示すグラフである。 実施例2の角度検出装置を示す部分断面上面図である。 図14(a) の角度検出装置を示す側面図である。 実施例2の角度検出装置において、センサ出力と回転角との関係を示すグラフである。 実施例2の角度検出装置において、検出角度及び角度検出誤差と回転角との関係を示すグラフである。 実施例3の角度検出装置を示す部分断面上面図である。 図16(a) の角度検出装置を示す側面図である。 実施例3の角度検出装置において、センサ出力と回転角との関係を示すグラフである。 実施例3の角度検出装置において、検出角度及び角度検出誤差と回転角との関係を示すグラフである。 実施例4の角度検出装置を示す部分断面上面図である。 図18(a) の角度検出装置を示す側面図である。 実施例4の角度検出装置において、センサ出力と回転角との関係を示すグラフである。 実施例4の角度検出装置において、検出角度及び角度検出誤差と回転角との関係を示すグラフである。 実施例5の移動距離検出装置を示す上面図である。 図20(a) の移動距離検出装置を示す側面図である。 実施例5の移動距離検出装置において、センサ出力と移動距離との関係を示すグラフである。 実施例5の移動距離検出装置において、検出距離及び移動距離検出誤差と移動距離との関係を示すグラフである。 実施例6の移動距離検出装置において、センサ出力と移動距離との関係を示すグラフである。 実施例6の移動距離検出装置において、検出距離及び移動距離検出誤差と移動距離との関係を示すグラフである。 実施例7の移動距離検出装置を示す上面図である。 図22(a) の移動距離検出装置を示す側面図である。 実施例7の移動距離検出装置において、センサ出力と移動距離との関係を示すグラフである。 実施例7の移動距離検出装置において、検出距離及び移動距離検出誤差と移動距離との関係を示すグラフである。 実施例8の角度検出装置を示す上面図である。 図24(a) の角度検出装置を示す側面図である。

本発明の角度検出装置及び位置検出装置は、多極セグメント磁石又は多極矩形磁石と、前記磁石からの磁束の方向を検出するために複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサとを必須とする。磁石の限られた回転角範囲で出力直線性を示すように磁気センサの配置を設定することにより、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサから角度に対応した出力が直接得られる。従って、出力信号を角度信号に変換する必要がなく、角度検出装置の構造を簡単化できる。各スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は固定層磁化方向を一方向、すなわち平行方向と反平行方向の両方を含む方向に揃えている。

磁束密度の大きさを検出するホールセンサ（ホール素子を用いた磁気センサ）や、磁束の方向を検出するスピンバルブセンサ（スピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサ）では、1周期の回転磁場に対応して1周期の出力を得る。出力波形を理想的な三角波にできれば、最大±90°の電気角を検出することができる。しかし、磁石回転子による磁場強度はほぼ正弦波であるので、ホールセンサの出力もほぼ正弦波となり、リニアリティー領域が狭く、角度検出誤差も大きい。これに対して、スピンバルブセンサは後述するように、磁石回転子とスピンバルブセンサとの位置関係によって出力波形を調整でき、広いリニアリティー領域を得ることができるので、角度検出誤差を抑えることができる。

磁石回転子にはアークセグメント磁石又は矩形磁石を用いる。アークセグメント磁石はリング磁石を分割した形状であるのが好ましい。アークセグメント磁石の凸状外面に複数の磁極を有する。着磁は極異方性又はラジアル異方性のいずれでも良いが、極異方性が好ましい。セグメント磁石及び矩形磁石は、SNS又はNSNの3極又はNSの2極に着磁したものが好ましい。

図1(a) 及び図1(b) は2極の円板状磁石11aの磁束Fと磁気センサ2aとの位置関係を示す。円板状磁石11aの磁化方向はX方向である。円板状磁石11aの回転角θ_mが0°のとき、円板状磁石11aの表面からr₁だけ離れたX軸上にある磁気センサ2aは磁束B_⊥を受ける。回転角θ_mが90°であると、磁気センサ2aは磁束B_//を受ける。Z方向は円板状磁石11aの回転軸線方向である。

図1(b) は3通りの磁気センサの配置を示す。磁気センサ2aの中心はZ＝0のX-Y平面上に位置し、その感磁面はX-Y平面に対してχだけ傾斜している。磁気センサ2a’は、センサ配置角φ’の位置にあり、X-Y平面に対してχ’だけ傾斜している。磁気センサ2a’の中心は、円板状磁石11aの中心を通りかつ回転軸線に垂直な平面からh’離れている。磁気センサ2a’の位置において、磁束の方向はX方向からε’だけ傾いている。磁気センサ2a”は、その中心が円板状磁石11aの回転軸線上にあり（φ”＝90°）、感磁面がX-Y平面に平行（χ”＝180°、及びε”＝180°）である。アークセグメント磁石をシャフトに設けた場合、シャフトの軸芯が磁石回転子の中心Oとなる。

図2(a) は磁気センサ2a内のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（単に「磁気抵抗効果素子」ともいう）の配置を示す。図2(a) に示す通り、1つの磁気センサ2aに、X方向，Y方向，−X方向及び−Y方向のいずれかを固定層磁化方向とした8個の磁気抵抗効果素子が内蔵されている。図中の太い矢印は1個の磁気抵抗効果素子における固定層磁化方向を表す。図2(a) に示す例では、固定層磁化方向が同じ2個の磁気抵抗効果素子からなる磁気抵抗効果素子対22a，22b，22c及び22dが1つのパッケージ25に設けられている。磁気抵抗効果素子22a及び22dの固定層磁化方向は図5の磁石回転子の半径方向と一致し、磁気抵抗効果素子22b及び22cの固定層磁化方向は図5の磁石回転子の回転方向と一致する。

図2(a) に示す例では固定層磁化方向が同じ2個の磁気抵抗効果素子を対にしているが、8つの磁気抵抗効果素子を一つの基板に形成しても、1つの磁気抵抗効果素子を形成した個別の基板を8枚用いても良い。またセルフピン構造のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用いて、磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向を決定することもできる。

8個の磁気抵抗効果素子のうち、X方向及び−X方向を固定層磁化方向とする磁気抵抗効果素子は図2(b) に示すセンサブリッジX01を構成し、Y方向及び−Y方向を固定層磁化方向とする磁気抵抗効果素子は図2(c) に示すセンサブリッジY01を構成する。X方向及び−X方向、並びにY方向及び−Y方向はそれぞれ反平行であり、X方向及び−X方向は、Y方向及び−Y方向と直交する。センサブリッジX01、Y01の固定層磁化方向はリソグラフィ法等の高精度な方法により定める。センサブリッジX01の固定層磁化方向は磁石回転子の半径方向と一致し、センサブリッジY01の固定層磁化方向は磁石回転子の回転方向と一致する。センサブリッジX01はセンサブリッジY01の固定層磁化方向を軸としてχだけ傾斜している。

φ＝0°のとき、磁石回転子の厚さ方向中心を通り、かつ回転軸に垂直な平面上に、磁気センサの感磁面（複数の磁気抵抗効果素子の固定層を形成した基板の面に相当する）の中心を設置する。感磁面の中心は複数の磁気抵抗効果素子に囲まれたパッケージ25の中心26である。図2(b) のセンサブリッジ回路では一定の直流電圧Vccxを印加し、ブリッジ接続の中点から出力電圧Vx1及びVx2を得る。センサブリッジX01、Y01のいずれか一方の出力を角度検出に用いる。例えばセンサブリッジX01を角度検出に使用する場合、センサブリッジY01はフェールセーフや温度補償に使用する。

図2(a)〜図2(c) に示す磁気センサ2aは、磁気抵抗効果素子と接続した6本の端子23（リードフレームから形成される）を有し、樹脂で一体的にモールドされている。Gndx1、Gndx2、Gndy1及びGndy2は接地電極である。

参考例1
図3(a) 及び図3(b) に示すように、永久磁石11aの中心Oを原点とする座標系（X，Y，Z）において、永久磁石11aの外周（X，0，0）に、図2(a)〜図2(c) に示すスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子がブリッジ接続された構造を有する磁気センサ2aを配置する。磁気センサ2aの感磁面は永久磁石11aの回転軸に対して垂直であり、磁気センサ2aの固定層磁化方向はY軸に平行である。永久磁石11aが角度θ_mだけ回転したときに発生するX，Y及びZ方向の磁束成分B_X，B_Y、B_Zは式(1) で表される。

（ただし、mは永久磁石11aを近似した磁気モーメントであり、θ_mは永久磁石11aの回転角であり、φは永久磁石11aの中心Oと磁気センサ2aの中心とを結ぶ線とX-Y平面とがなす角である。）

Y軸に平行な成分B_YをB_//とし、Y軸に直交する成分をB_⊥と表すと、B_//及びB_⊥は式(2) で表される。

空間磁束密度振幅比K₀は式(3) で表される。

（ただし、B_//0はB_//の振幅であり、B_⊥0はB_⊥の振幅である。）

Z＝0の場合、B_//とB_⊥はともにX-Y平面内に存在する（B_Z＝0）。Z≠0の場合（センサ配置角＝φ）、磁気センサ2aの中心では、X-Y平面からεだけ傾いた平面（ε面）における回転磁場は空間磁束密度振幅比K₀を有する。

φ＝0°の場合式(2) は簡略化され、空間磁束密度振幅比K₀＝B_⊥0／B_//0＝2で90°位相の異なる磁束を受けることとなり、センサ出力は正弦波ではなく、図4(a) に示すように頂点が凸の三角状の波形となる。このとき、磁気センサ内のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子が実効的に受ける磁束密度のY方向成分B_//eff、それに直交する方向の成分B_⊥eff、及び実効磁束密度振幅比K_effは式(4) で表される。

（ただし、B_//eff0はB_//effの振幅であり、B_⊥eff0はB_⊥effの振幅であり、χは磁気センサ2aの固定層磁化方向を回転軸とした傾斜角である。）

式(4) は、磁気センサをχだけ傾けることにより任意の実効磁束密度振幅比が得られることを示す。例えばχ＝50.4°のとき、B_⊥effとB_//effの実効磁束密度振幅比K_effは1.27となる。このとき磁気センサの出力はほぼ三角波となり、リニアリティー領域（センサ出力が直線状に変化する領域）が格段に増大する。図5(a) に示す角度検出装置においてχ＝50°とした場合のセンサ出力及び角度検出誤差の測定結果を図6に示す。図4と図6を比較すると、傾斜角χ＝50°とする方（図6）が角度検出誤差を低減できることが分る。

図5(a) 及び図5(b) は永久磁石11aの中心Oと磁気センサ2aの中心とを結ぶ線に対して磁気センサ2aの感磁面をχだけ傾けた配置Aを示し、図5(c) 及び図5(d) は配置Aにおいて磁気センサ2aの感磁面を90°回転させた配置Bを示す。図7は、配置A及び配置Bにおいて実効磁束密度振幅比K_effと角度検出誤差との関係を示すグラフであり、角度検出誤差が最小となるK_effを示す。配置Aのデータは黒丸（●）で示し、配置Bのデータは白丸（○）で示す。微小ダイポールで近似可能な磁石（側面近傍でK₀＝2）において、磁石回転子の回転軸線上では（φ＝90°）空間磁束密度振幅比は1となるので、K_eff＝1.27となる配置Aは実現できず、配置Bだけ実現できる。一方、磁石の側面（φ＝0°）では上述したようにK₀＝2であるため、配置A及び配置Bの双方を構成できる。配置Bでは磁気センサ2aが受ける磁束が低下するため、磁石側面近傍に磁気センサを設置する場合には配置Bより配置Aの方が好ましい。

参考例2
参考例1は一周期の機械角に対して一周期の電気角の出力が得られる2極磁石を示したが、微小な角度を高精度に検出するためには磁石を多極化するのが有利である。図8(a) 及び図8(b) は参考例2の角度検出装置を示す。この角度検出装置は、外周面から極異方性の磁場を発生するよう16極に着磁したリング磁石11b及びリング磁石11bの貫通孔に固着されたシャフト13bからなる磁石回転子と、リング磁石11bの外周面から離隔した位置に配置された磁気センサ2aとを具備する。リング磁石11bの半径r₀＝20 mm、リング磁石11bの外周面から磁気センサ2a中心までの距離r₁＝4 mm、リング磁石11bの孔の内径r₂＝15 mm、及びZ方向（磁石回転子の回転軸線方向）におけるリング磁石11bの厚さt＝4 mmであった。

K₀が約1.3であるため、傾斜及びZ方向の軸方向変位は行わなかった。このように、多極リング磁石は微小ダイポールで近似可能な2極磁石と異なり、磁石外周側面（φ＝0°）においてK₀＝2とはならない。図9(a) に示すように、シャフト13bが一回転すると、磁気センサ2aは磁石の極数を反映した8周期の信号を2つ出力し、その一方はほぼ三角波であった。この信号の1周期を使用して回転角に応じた検出角度と理想的な角度との差（角度検出誤差）を求めたところ、図9(b) に示すように±6°の領域で±0.1°以内の角度検出精度が得られた。このように、1周期の回転角に対する磁気センサ2aの1周期を狭くすることにより、角度検出誤差を低減することができ、微小角度領域の角度検出を高精度に行うことができる。

参考例3
図10(a) 及び図10(b) は8極に着磁した多極リング磁石11b’を具備する参考例3の角度検出装置を示す。r₀＝16 mm、r₁＝4 mm、r₂＝10 mm、及びt＝8 mmであった。K₀が1.3であるため、傾斜及び軸方向変位は行わなかった［図5(b) でh＝0、χ＝0］。図11(a) に示すように、磁気センサ2aは多極リング磁石11b’の一周期の回転に対して磁石の極数を反映した4周期の信号を出力し、その一方はほぼ三角波であった。図11(b) に示すように、この信号の1周期を使用して角度検出誤差を評価したところ、±15°の領域で±0.2°以内であった。

実施例1
高精度で小型の本発明の角度検出装置は、リング磁石の一部を切り出した形状を有する多極アークセグメント磁石を有する。図12(a) 及び図12(b) は、N極の両側に一対のS極を有する多極アークセグメント磁石11c（参考例2のリング磁石から切り出した）をシャフト13cに設けた磁石回転子を具備する角度検出装置を示す。多極アークセグメント磁石11cにおける各S極の幅はN極の幅の約半分であり、N極からS極への極異方性の磁束の流れが2つ形成される。磁石回転子の回転円周は多極アークセグメント磁石11cの外周面の曲率半径r₀に相当し、r₀＝20 mm、r₁＝4 mm、r₂＝15 mm、及びt＝3 mmであった。

図13(a) はセンサ出力を示し、図13(b) は角度検出誤差を示す。図13(b) から明らかなように、実施例1では参考例2と同程度に抑制された角度検出誤差が得られた。多極アークセグメント磁石11cの回転に伴いθmが大きい領域で磁場が減少したが、検出角度領域での磁場は十分に大きいので、磁気センサ2aの動作に影響はなかった。磁気センサ2aの出力の二乗和は一定であるので、フェールセーフや温度変化による出力振幅補正等に利用できる。多極アークセグメント磁石を具備する角度検出装置は、測定すべき微小角度範囲内で多極アークセグメント磁石を揺動すれば良いので、微小な回転角を検出するのに好適であり、シャフトに磁石を設けるスペースの余裕がなくても良く、リング磁石を具備する角度検出装置より小型軽量化できる。多極アークセグメント磁石を具備する本発明の角度検出装置は限られた回転角でのセンサ出力の直線領域を利用するので、360°の全範囲にわたって回転角を検知する角度検出装置と異なる。また多極アークセグメント磁石11cは小さなスペースしか占めないので、実施例1の角度検出装置は小型化されていた。

実施例2
図14(a) 及び図14(b) は、同じ幅のN極及びS極を1つずつ有する多極アークセグメント磁石11dをシャフト13dに設けた磁石回転子と、χだけ傾斜した磁気センサ2aとを具備する角度検出装置を示す。Keffを1.3にするため、χ＝60°とした。他の条件は実施例1と同じである。図15(a) はセンサ出力を示し、図15(b) は角度検出誤差を示す。図15(b) から明らかなように、実施例2では実施例1と同程度に抑制された角度検出誤差が得られた。実施例1と同様に、実施例2の角度検出装置も小型化されていた。

実施例3
図16(a) 及び図16(b) は、N極の両側に一対のS極を有する多極アークセグメント磁石11e（12極に着磁したリング磁石から切り出した）をシャフト13eに設けた磁石回転子と、χだけ傾斜した磁気センサ2aとを具備する角度検出装置を示す。多極アークセグメント磁石11eにおける各S極の幅はN極の幅の約半分であり、N極からS極への極異方性の磁束の流れが2つ形成された。Keffを1.3にするため、χ＝23°とした。r₀＝20 mm、r₁＝4 mm、r₂＝15 mm、及びt＝3 mmであった。図17(a) はセンサ出力を示し、図17(b) は角度検出誤差を示す。図17(b) から明らかなように、±9°の回転角範囲で高精度な検出角度がえられ、リニアリティー領域が広いことが分かる。実施例1と同様に、実施例3の角度検出装置も小型化されていた。

実施例4
多極アークセグメント磁石の代わりに多極矩形セグメント磁石（単に多極矩形磁石という）を用いた以外実施例1と同様にして、図18(a) 及び図18(b) に示す角度検出装置を作製した。N極の両側に一対のS極を有する多極矩形磁石11fにおいて、各S極の幅はN極の幅の約半分であり、N極からS極への極異方性の磁束の流れが2つ形成された。シャフト13fは一部が平坦に切り欠かれており、その平坦部に多極矩形磁石11fが固着されている。r₃＝17 mm、d＝3 mm、r₄＝4 mm、w＝15 mm、及びt＝3 mmであった。r₃はシャフトの平坦部と回転中心との距離である。r₄は多極矩形磁石11fの外面中心と磁気センサ2aの中心との距離（シャフトの回転中心と磁気センサ2aの中心とを結ぶ線上に多極矩形磁石11fの中心がある場合）である。dは多極矩形磁石11fの短手方向の長さであり、wは多極矩形磁石11fの長手方向の長さである。多極矩形磁石11fは製造が容易であるので、実用的である。

図19(a) はセンサ出力を示し、図19(b) は角度検出誤差を示す。図19(a) から明らかなように、多極矩形磁石11fの回転により多極矩形磁石11fと磁気センサ2aとの距離が変化するため、磁束密度が僅かに歪んだ。しかし、図19(b) から明らかなように、センサ出力のリニアリティーは確保されており、±7°の回転角範囲で高精度に角度を検出できた。実施例1と同様に、実施例4の角度検出装置も小型化されていた。

実施例1〜4における条件の一部を変更しても、検出精度の低下は僅かであり、変更前に近い高精度な角度検出装置が得られる。例えば、実施例4で磁気センサをχだけ傾けてもZ方向にhだけ移動させても良い。

実施例5
実施例4の多極矩形磁石を微小に直線運動させると、直線変位量を検出できる。図20(a) 及び図20(b) は実施例4と同形状の多極矩形磁石11fと、それに対して直線運動する磁気センサ2aとを具備する位置（移動距離）検出装置を示す。Keffを1.3に調整するために、d＝3 mm、w＝15 mm、r₁＝3 mm、h＝0 mm、及びt＝3 mmとした。図21(a) はセンサ出力を示し、図21(b) は移動距離検出誤差を示す。実施例4では多極矩形磁石の回転により多極矩形磁石と磁気センサとの距離が変化し、磁束密度が僅かに歪んだが、本実施例では直線運動する多極矩形磁石と磁気センサとの距離が一定であるため、歪みの少ない磁束密度分布が得られた。また微小角度検出の際と同様にセンサ出力のリニアリティーも確保されており、3 mmの移動範囲において±50 μmの精度で直線変位量を検出することができた。実施例1と同様に、実施例5の位置検出装置も小型化されていた。

実施例6
図20(a) 及び図20(b) に示す移動距離検出装置において、Keffを1.4に調整するために、d＝3 mm、w＝10 mm、r₁＝3.5 mm、h＝0 mm、及びt＝3 mmとした。図21(c) はセンサ出力を示し、図21(d) は移動距離検出誤差を示す。実施例6の移動距離検出装置は2 mmの移動範囲において±1 μmの精度で直線変位量を検出することができた。実施例1と同様に、実施例6の位置検出装置も小型化されていた。

実施例7
実施例5の多極矩形磁石の形状及び磁気センサ2aの軸方向変位量hを図22(a) 及び図22(b) に示すように変更し、同様にセンサ出力及び移動距離検出誤差を解析した。d＝3 mm、w＝30 mm、r₁＝5 mm、及びt＝10 mmであった。Keffを1.3に調整するために、軸方向変位量hを6 mmとした。解析結果を図23(a) 及び図23(b) に示す。図23(b) から明らかなように、±5 mmの移動距離範囲内で検出距離は高精度であった。実施例1と同様に、実施例7の位置検出装置も小型化されていた。

実施例8
図24(a) 及び図24(b) は、外周に凹部を有する非磁性円板14aと、凹部に固定された多極矩形磁石11hと、非磁性円板14aを支持する回転シャフト13aとからなる磁石回転子と、多極矩形磁石11hからシャフト13aの軸方向に離隔した磁気センサ2aとを具備する角度検出装置を示す。多極矩形磁石11hはw＞d、かつd＝tの条件を満たす形状を有し、2極に着磁されている。シャフト13aが一回転すると、磁気センサ2aは多極矩形磁石の極数を反映した1周期の信号を2つ出力し、その一方はほぼ三角波であった。これにより、実施例4と同程度に角度検出誤差を抑制できた。また実施例4と同様に、実施例8の角度検出装置も小型化されていた。

実施例9
K₀＝1の場合、固定層磁化方向が直交する2つのセンサブリッジX01、Y02を有する磁気センサ2aから、磁石の1回転により90°位相が異なる1周期のセンサ出力Vx、Vyが得られる。例えば、図12(a) 及び図12(b) に示す角度検出装置から得られるセンサ出力Vx、Vyは図13に示す出力波形を有する。センサ出力Vx、Vyから下記式(5) により得られる値C(T)はVx及びVyによらず一定であるが、磁気センサ2a内に断線等の故障があると出力波形が歪み、C(T)は一定でなくなる。これを利用して、磁気センサ2aの故障を監視する（フェールセーフ機能を持たせる）ことができる。またC(T)は磁気抵抗効果素子の抵抗変化率を変化させる温度の関数であるため、温度補正も可能となる。さらに式(5) を用いて回転角に依存することなく各センサブリッジの出力の振幅を知ることができるので、温度補償を行うこともできる。

Claims (8)

1. アーク状又は矩形状の多極セグメント磁石を有する磁石回転子と、前記多極セグメント磁石からの磁束の方向を検出する磁気センサとを具備する角度検出装置であって、
   前記多極セグメント磁石は、前記磁石回転子の回転方向に沿ってSNS又はNSNの3極又はNSの2極を有し、
   前記磁気センサは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が磁束の方向に応じて回転する自由層とを有する）を有する感磁面を有し、
   前記磁気センサは、前記感磁面が磁束と交差して前記感磁面内で直交する磁束密度成分同士の振幅の大きさが異なるとともに、前記磁石回転子の限られた回転角範囲で出力が直線性を示すように、前記磁石回転子に対して位置決めされており、
   前記磁石回転子は前記磁気センサの出力が直線性を示す範囲内で揺動されることを特徴とする角度検出装置。
2. 請求項1に記載の角度検出装置において、前記揺動範囲において、角度検出誤差が0.2°以下であることを特徴とする角度検出装置。
3. 請求項1又は2に記載の角度検出装置において、前記感磁面内で直交する実効磁束密度の振幅比K_eff＝B_⊥eff0／B_//eff0が0.6〜0.9又は1.1〜1.5であることを特徴とする角度検出装置。
4. 請求項1〜3のいずれかに記載の角度検出装置において、前記磁気センサは複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子をブリッジ接続したセンサブリッジを2個有し、一方のセンサブリッジと他方のセンサブリッジは固定層磁化方向が感磁面内で互いに直交していることを特徴とする角度検出装置。
5. 多極矩形磁石を有する直線可動子と、前記多極矩形磁石からの磁束の方向を検知する磁気センサとを具備する位置検出装置であって、
   前記多極矩形磁石は前記直線可動子の直線的移動方向に沿ってSNS又はNSNの3極又はNSの2極を有し、
   前記磁気センサは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁場の方向に応じて回転する磁気抵抗素子）を有する感磁面を有し、
   前記磁気センサは、前記感磁面が磁束と交差して前記感磁面内で直交する磁束密度成分同士の振幅の大きさが異なるとともに、前記多極矩形磁石の限られた直線的移動範囲で出力が直線性を示すように、前記直線可動子に対して位置決めされており、
   前記直線可動子は前記磁気センサの出力が直線性を示す範囲内で直線的に移動されることを特徴とする位置検出装置。
6. 請求項５に記載の位置検出装置において、前記移動範囲において、位置検出誤差が0.2 mm以下であることを特徴とする位置検出装置。
7. 請求項５又は6に記載の位置検出装置において、前記感磁面内で直交する実効磁束密度の振幅比K_eff＝B_⊥eff0／B_//eff0が0.5〜0.9又は1.1〜1.6であることを特徴とする位置検出装置。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載の位置検出装置において、前記磁気センサは複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子をブリッジ接続したセンサブリッジを2個有し、一方のセンサブリッジと他方のセンサブリッジは固定層磁化方向が感磁面内で互いに直交していることを特徴とする位置検出装置。

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