JP7002577B2 - 角度検出装置及び回転電機の制御装置 - Google Patents

Description

本願は、角度検出装置及び回転電機の制御装置に関するものである。

特許文献１の装置では、非磁性の第１の導体と非磁性の第２の導体との間に磁気センサを配置することによって、第１の導体中に流れる渦電流が磁気センサに及ぼす磁界、及び第２の導体中の渦電流が磁気センサに及ぼす磁界が、互いに打ち消し合っている。

特開２０１３－１０４６９８号公報

特許文献１の技術では、渦電流の磁界による影響を、２つの導体を用いて打ち消し合わせており、磁気センサの両側に導体を配置する必要がある。そのため、磁気センサを含む角度検出装置を小型化又は低重量化することが難しい。また、多くの磁気センサはノイズ除去のために、出力回路にローパスフィルタが設けられており、高回転時には位相遅れが大きくなる。特許文献１の技術では、渦電流の影響は低減できるものの、出力回路の位相遅れによる角度ずれは低減できない。

そこで、本願は、磁気センサの近くに配置された導体に生じる渦電流による角度ずれ、及び磁気センサの出力回路の応答遅れによる角度ずれを低減できる角度検出装置及びそれを備えた回転電機の制御装置を提供することを目的とする。

本願に係る角度検出装置は、
回転体に取り付けられる磁石と、
前記磁石と対向して配置され、前記磁石の磁界方向に応じた信号を出力する磁気センサと、
前記磁気センサに対向して配置された導電性部材と、を備え、
前記導電性部材は、前記磁石の中心と前記磁気センサの中心とを通る中心直線を中心とする円環板状又は円板状に形成され、
前記導電性部材の渦電流によって生じる、前記磁気センサに鎖交する磁束密度である渦電流磁束密度の基本波振幅をＢｅ＿ａｍｐとし、前記磁気センサに鎖交する前記磁石の磁束密度である磁石磁束密度の基本波振幅をＢｍ＿ａｍｐとし、前記磁気センサの出力回路の応答遅れの時定数をδとし、角度ずれの許容値をＫとして、
｜Ｂｅ＿ａｍｐ／Ｂｍ＿ａｍｐ－δ｜≦Ｋ
の関係が満たされるように、前記円環板状又は前記円板状の前記導電性部材の配置形状が設定されているものである。

また、本願に係る回転電機の制御装置は、上記の角度検出装置を備え、前記角度検出装置により検出された回転電機のロータ角度に基づいて、前記回転電機を制御するものである。

本願に係る角度検出装置及び回転電機の制御装置によれば、導電性部材の渦電流によって磁気センサに生じる渦電流磁束密度により生じる角度ずれと、磁気センサの出力回路の応答遅れにより生じる角度ずれと、を互いに打ち消し合わせて、角度ずれを許容値の範囲内にすることができる。

実施の形態１に係る角度検出装置の概略構成図である。 実施の形態１に係る軸方向に見た角度検出装置の投影図である。 実施の形態１に係る渦電流による磁束を説明するための軸方向に見た角度検出装置の投影図である。 実施の形態１に係る有効領域を説明するための軸方向に見た角度検出装置の投影図である。 実施の形態１に係る有効領域を説明するための図である。 実施の形態１に係る有効領域を説明するための図である。 実施の形態１に係る導電性部材の配置を説明するための図である。 実施の形態１に係る磁気センサの配置を説明するための図である。 実施の形態１に係る角度検出装置の別例の概略構成図である。 実施の形態１に係る角度検出装置の別例の概略構成図である。 実施の形態１に係る角度検出装置の別例の概略構成図である。 実施の形態１に係る角度検出装置を備えた回転電機の制御装置の概略構成図である。 実施の形態１に係る角度検出装置を備えた回転電機の制御装置の概略構成図である。

以下、本願の角度検出装置の実施の形態について図に基づいて説明する。各図において、同一または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る角度検出装置の全体構成を示す図である。なお、図１は、角度検出装置の要部を、回転軸心Ｃの径方向に見た図である。図２は、角度検出装置を、回転軸心Ｃに平行な方向（以下、軸方向Ｚと称す）に見た投影図である。回転軸心Ｃは、回転体４の仮想的な回転中心線である。軸方向Ｚは、後述するＸ軸方向及びＹ軸方向と直交する。

磁石１の中心と磁気センサ２の中心とを通る直線を中心直線と定義する。磁石１の中心は、Ｎ極とＳ極との中心であり、磁気センサ２の中心は、磁界を検出するセンサ素子部の中心である。本実施の形態では、磁石１及び磁気センサ２は、回転軸心Ｃ上に配置されている。よって、中心直線は、回転軸心Ｃに一致している。

＜磁石１＞
磁石１は、回転体４に取り付けられる。磁石１は、永久磁石である。本実施の形態では、磁石１は、回転体４としての回転軸４の先端に配置されている。回転軸４の先端に配置することで、回転軸４の外周に嵌合される場合に比べて歪の小さい磁界が得られ、角度誤差を低減することができる。しかし、磁石１は、回転軸４の外周に嵌合されてもよい。磁石１は、回転軸心Ｃ上に配置されている。磁石１のＮ極とＳ極とは、回転軸心Ｃに対して対称に配置されている。Ｎ極の径方向外側の端面の半径と、Ｓ極の径方向外側の端面の半径とは一致している。磁石１は、図１及び図２の矢印の方向に回転するものとする。

＜磁気センサ２＞
磁気センサ２は、磁石１と対向して配置されている。磁気センサ２は、磁石１の磁界方向に応じた信号を出力する。磁気センサ２は、回転軸心Ｃ上に配置されている。回転軸４の回転により、磁石１が回転すると、磁石１の磁界方向も回転し、磁気センサ２の出力信号も変化する。磁気センサ２には、磁気抵抗効果素子又はホール素子等が用いられる。

磁気センサ２は、センサ素子が配置されたＸＹ平面に鎖交する磁石１の磁界を検出し、Ｘ方向の磁界の大きさを表すセンサ余弦信号ＶｃｏｓとＹ方向の磁界の大きさを表すセンサ正弦信号Ｖｓｉｎとを出力する。センサ余弦信号Ｖｃｏｓは、磁石１の角度に応じた余弦波状の信号であり、センサ正弦信号Ｖｓｉｎは、磁石１の角度に応じた正弦波状の信号である。磁気センサ２のＸＹ平面は、回転軸心Ｃ（軸方向Ｚ）に直交するように配置される。ＸＹ平面は、互いに直交するＸ軸とＹ軸から構成され、Ｘ軸及びＹ軸の原点は、回転軸心Ｃ上に配置される。

磁気センサ２におけるセンサ余弦信号Ｖｃｏｓ及びセンサ正弦信号Ｖｓｉｎを出力する出力回路には、ノイズ成分を除去するローパスフィルタ回路が設けられており、磁気センサ２の出力回路には、応答遅れがある。

＜角度算出器６＞
角度算出器６は、磁気センサ２の出力信号に基づいて、磁石１の角度を算出する。角度算出器６は、ＩＣ（Integrated Circuit）等のディジタル演算回路により構成される。或いは、角度算出器６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリ等を備えた回転電機等の制御装置に組み込まれてもよい。また、角度算出器６は、角度検出装置の一部を構成する概念としてもよいし、角度検出装置の外部の構成である概念としてもよい。

角度算出器６は、磁気センサ２から出力されたセンサ余弦信号Ｖｃｏｓ及びセンサ正弦信号ＶｓｉｎをＡ／Ｄ変換する。そして、角度算出器６は、センサ余弦信号のＡ／Ｄ変換値Ｖｃｏｓ＿ａｄ、及びセンサ正弦信号のＡ／Ｄ変換値Ｖｓｉｎ＿ａｄに基づいて、角度θを算出する。例えば、式（１）を用いて、角度θが算出される。

余弦信号にオフセットＶｃｏｓ＿ｏｆｓが存在し、正弦信号にオフセットＶｓｉｎ＿ｏｆｓが存在する場合には、式（２）を用いて、角度θが算出される。

また、余弦信号と正弦信号との間に振幅ずれ、位相差ずれ等の誤差がある場合には、公知の方法によって補正されてもよい。

角度算出器６は、磁気センサ２に組み込まれてもよい。

＜導電性部材３＞
導電性部材３は、磁気センサ２に対向して配置されている。導電性部材３は、磁気センサ２に対して磁石１とは反対側に配置されている。よって、磁気センサ２は、磁石１と導電性部材３との間に配置されている。導電性部材３は、銅などの導電性の部材である。本実施の形態では、板状部材８に導電性部材３が設けられている。板状部材８及び導電性部材３は、平板状に形成されている。板状部材８及び導電性部材３は、回転軸心Ｃ上に配置されている。板状部材８及び導電性部材３は、回転軸心Ｃに直交している。

＜磁石磁束密度Ｂｍ＞
磁気センサ２に鎖交する磁石１の磁界は、図１の点線１０のように表すことができる。磁石１のＮ極から出た磁力線及びＳ極に戻る磁力線は、磁石１近傍では、ＸＹ平面に垂直な軸方向Ｚの成分が大きいが、磁気センサ２付近ではＸＹ平面に平行な成分が大きくなる。

時間ｔ＝０において、Ｘ軸方向に磁石１のＳ極が向いている場合について説明する。磁気センサ２に鎖交する磁石１の磁束密度である磁石磁束密度Ｂｍは、式（３）で与えられる。磁石磁束密度Ｂｍは、Ｘ軸方向の磁束密度及びＹ軸方向の磁束密度のベクトルで表されている。

ここで、ωは、磁石１の角速度であり、ｔは、時間である。ｃｏｓωｔ、ｓｉｎωｔは、磁石磁束密度Ｂｍの基本波であり、回転周波数の１次成分である。Ｂｍ＿ａｍｐは、磁石磁束密度Ｂｍの基本波の振幅である。基本波振幅Ｂｍ＿ａｍｐは、磁石１の強さ（磁束密度）、磁石１と磁気センサ２との位置関係（距離、向き等）によって定まる。

＜導電性部材による渦電流磁束密度Ｂｅ＞
一方、磁石１の生成する磁界には、導電性部材３に対して垂直に入る成分が存在する。ここでは、導電性部材３が、板状部材８の全体に設けられていると仮定して、式導出を行う。図３の点線に示すように、導電性部材３における、回転軸心Ｃを中心とした半径ｒの円上の点ＰのＸＹ座標を、式（４）で与える。ここで、θｐは、Ｘ軸に対する点Ｐの角度である。

このとき、点Ｐにおける磁石１の磁束密度の鉛直方向（軸方向Ｚ）の成分は、式（５）で表現できる。磁束密度の振幅Ｂｐ＿ａｍｐは、磁石１の強さ（磁束密度）、点Ｐと磁石１との位置関係（距離、向き等）によって定まる。

磁石１は回転しているため、導電性部材３の点Ｐにおいて発生する起電力ｅｐは、式（６）で与えられる。

導電性部材３の抵抗をＲとすると、式（６）に起電力ｅｐによって生じる渦電流ｉｐは、式（７）となる。

導電性部材３の点Ｐの渦電流ｉｐによって生じる磁界は、図１の点線３０のようになる。磁気センサ２に鎖交する、導電性部材３の渦電流によって生じる磁束密度の大きさＢｅｐ＿ａｂｓは、式（７）の渦電流ｉｐに比例するので、式（７）に渦電流磁束係数ＫＢｅｐを乗算した、式（８）で与えられる。渦電流磁束係数ＫＢｅｐは、点Ｐと磁気センサ２との位置関係（距離等）によって定まる。

式（８）の磁束密度の大きさＢｅｐ＿ａｂｓを、Ｘ軸成分とＹ軸成分に分けると、点Ｐの渦電流によって生じる、磁気センサ２に鎖交する磁束密度Ｂｅｐは、式（９）で与えられる。

図３に点線で示すような、点Ｐを回転させた円周上の点であれば同様に表現できるので、導電性部材３の円周上に発生する渦電流によって生じる、磁気センサ２に鎖交する磁束密度Ｂｅｃは、式（９）を円周上に積分すると、式（１０）で与えられる。

導電性部材３の全ての領域の渦電流を考慮してもよいが、渦電流が小さくなる領域は、省略することができる。渦電流が大きくなる領域は、導電性部材３に対して垂直に入る磁石１の磁束が大きくなる領域に対応し、磁石１のＮ極及びＳ極の径方向の位置に対応する。図４にハッチングで示すように、渦電流が大きくなる有効領域は、回転軸心Ｃを中心とした円環板状の領域になる。渦電流が大きくなる円環板状の領域の内径及び外径は、導電性部材３が磁石１から離れて配置されるに従って、小さくなる。

導電性部材３に鎖交する磁石１の磁束密度の軸方向Ｚの成分は、図５に示すように、回転軸心Ｃに対する径方向の位置（半径ｒ）に応じて変化する。ここで、磁束密度の軸方向Ｚの成分が大きくなる有効領域について考える。有効領域は、導電性部材３の各部に鎖交する磁石１の磁束密度の軸方向Ｚ（中心直線に平行な方向）の成分が、各部の軸方向Ｚの成分の最大値Ｂｍａｘの１／５倍以上になる領域に設定される。

軸方向Ｚの磁束密度が最大値となる径方向の位置は、磁石１と導電性部材３との位置関係によって定まる。図６は、上段に、磁石１の磁界が導電性部材３に鎖交する様子を示し、下段に、その時の有効領域を示している。導電性部材３が磁石１の近くに配置された（ａ）の場合には、磁力線の軸方向Ｚ成分が最大となるのは磁石１の径方向外側の端部よりも径方向外側の径方向位置になり、有効領域は、回転軸心Ｃを中心とした円環板状の領域になる。一方、導電性部材３が磁石１から離れて配置された（ｂ）の場合には、磁力線の軸方向Ｚの成分が最大となるのは（ａ）より径方向内側に移動し、有効領域は、回転軸心Ｃを中心とした円板状の領域になる。

製品の小型化は、多くの場合に求められるため、磁石１と導電性部材３の距離はできるだけ小さいことが望ましい。その場合、図６の（ａ）のように、渦電流が最大、つまり磁石１の磁力線の軸方向Ｚの成分が最大となる位置は、磁石１よりも径方向外側の径方向位置なるので、磁石１の外径を半径とする円の径方向外側に有効領域が設定されればよい。

図４にハッチングで示すような円環板状の有効領域の渦電流によって生じる、磁気センサ２に鎖交する磁束密度である渦電流磁束密度Ｂｅは、式（１０）の円周上に発生した渦電流による磁束密度を径方向に積算したものとなり、式（１０）と同様の式（１１）で与えられる。渦電流磁束密度Ｂｅは、Ｘ軸方向の磁束密度及びＹ軸方向の磁束密度のベクトルで表されている。

ここで、ωは、磁石１の角速度であり、ｔは、時間である。ｓｉｎωｔ、ｃｏｓωｔは、渦電流磁束密度Ｂｅの基本波であり、回転周波数の１次成分である。Ｂｅ＿ａｍｐは、渦電流磁束密度Ｂｅの基本波の振幅である。基本波振幅Ｂｅ＿ａｍｐは、磁石１の強さ（磁束密度）、磁石１と導電性部材３との位置関係、導電性部材３と磁気センサ２との位置関係によって定まる。

＜渦電流磁束密度によるセンサ出力の位相進み＞
磁気センサ２で検出する合計磁束密度Ｂｓは、磁石磁束密度Ｂｍと渦電流磁束密度Ｂｅとの合計であるから、式（１２）で与えられる。

磁石磁束密度Ｂｍに対して渦電流磁束密度Ｂｅは微小であるため、磁石磁束密度の基本波振幅Ｂｍ＿ａｍｐと渦電流磁束密度の基本波振幅Ｂｅ＿ａｍｐとの間には、式（１３）が成り立つ。式（１３）を用いると、式（１２）に、式（３）及び式（１１）を代入した式は、式（１４）のように近似できる。

式（１４）より、合計磁束密度Ｂｓは、渦電流磁束密度Ｂｅが加算されることによって、式（３）の磁石磁束密度Ｂｍに対して、Ｂｅ＿ａｍｐ／Ｂｍ＿ａｍｐ×ωだけ位相が進んだ磁束密度になる。よって、合計磁束密度ＢｓのＸ軸方向の成分及びＹ軸方向の成分によって得られる磁気センサ２のセンサ余弦信号Ｖｃｏｓ及びセンサ正弦信号Ｖｓｉｎは、磁石磁束密度Ｂｍによって得られるセンサ信号に対して、Ｂｅ＿ａｍｐ／Ｂｍ＿ａｍｐ×ωだけ位相が進む。ここで、Ｂｅ＿ａｍｐは、渦電流磁束密度Ｂｅの基本波の振幅であり、Ｂｍ＿ａｍｐは、磁石磁束密度Ｂｍの基本波の振幅であり、ωは、磁石１の角速度である。

＜磁気センサ２の出力回路の応答遅れ＞
上述したように、磁気センサ２におけるセンサ余弦信号Ｖｃｏｓ及びセンサ正弦信号Ｖｓｉｎを出力回路には、ノイズ成分を除去するフィルタ回路が設けられており、磁気センサ２の出力回路には、時定数δの応答遅れがある。応答遅れの時定数δは、ステップ入力の後、最終値の６３．２％に到達するまでの時間である。

例えば、出力回路には、式（１５）に示すような伝達関数の一次遅れのフィルタが設けられる。ここで、ｓは、ラプラス演算子である。

出力回路の応答遅れによる角度ずれは、基本波成分を考慮すればよいので、このフィルタに角速度ωの信号を通したときの振幅比は、式（１６）で与えられ、位相ずれは、式（１７）で与えられる。検出対象の角速度ωは、時定数δの逆数に対応するカットオフ周波数よりも十分に小さいので、式（１７）において、近似されている。

式（１６）及び式（１７）から、式（１４）の合計磁束密度Ｂｓによって得られるセンサ信号が、フィルタを介して出力される磁気センサ２のセンサ余弦信号Ｖｃｏｓ及びセンサ正弦信号Ｖｓｉｎは、式（１８）で表される。

角度θは、式（１）を用いて算出されるので、算出される角度θは、式（１９）のようになり、（Ｂｅ＿ａｍｐ／Ｂｍ＿ａｍｐ―δ）×ωの角度ずれが生じる。

角度ずれを、Ｋ×ω以内に抑制したい場合は、式（２０）を満たせばよい。式（２０）を満たすことで、角速度ωの条件で、角度ずれを、Ｋ×ω以内に抑制することができる。

ここで、Ｋを、角度ずれの許容値と称す。また、上述したように、Ｂｅ＿ａｍｐは、導電性部材３の渦電流によって生じる、磁気センサ２に鎖交する磁束密度である渦電流磁束密度の基本波振幅であり、Ｂｍ＿ａｍｐは、磁気センサ２に鎖交する磁石１の磁束密度である磁石磁束密度の基本波振幅である。

角速度の検出範囲の最大角速度をωｍａｘとし、許容する角度ずれの最大値をθｍａｘとしたい場合には、例えば、角度ずれの許容値Ｋは、式（２１）で与えられる。

＜角度ずれを許容範囲内にする構成＞
そこで、本実施に形態に係る角度検出装置では、式（２０）の関係が満たされるように、導電性部材３の配置形状、磁気センサ２の配置形状、及び時定数δが設定されている。

この構成によれば、磁気センサ２の出力回路の応答遅れによる検出角度θのずれと、導電性部材３の渦電流による検出角度θのずれと、を互いに打ち消し合わせて、角度ずれを許容範囲内にすることができる。

特に、式（２２）の関係が満たされるように、導電性部材３の配置形状、磁気センサ２の配置形状、及び時定数δが設定されるとよい。

この構成によれば、磁気センサ２の出力回路の応答遅れによる検出角度θのずれと、導電性部材３の渦電流による検出角度θのずれと、を互いに相殺させて、角度ずれを最小化することができる。

渦電流磁束密度の基本波振幅Ｂｅ＿ａｍｐは、導電性部材３の有効領域の渦電流によって生じる渦電流磁束密度の基本波振幅Ｂｅ＿ａｍｐであればよい。図５に示すように、有効領域は、導電性部材３の各部に鎖交する磁石１の磁束密度における、軸方向Ｚ（中心直線に平行な方向）の成分が、各部の軸方向Ｚの成分の最大値Ｂｍａｘの１／５倍以上になる領域に設定される。この構成によれば、鎖交する磁石１の磁束密度の軸方向Ｚの成分が十分に小さく、渦電流の発生が十分に小さい導電性部材３の領域は、実質的に、発生する渦電流磁束密度Ｂｅを無視できるため、渦電流磁束密度Ｂｅを評価する有効領域から除外することができる。角度ずれを低減する設計が行い易くなる。

＜導電性部材３の効果的な配置＞
板状部材８の一部に導電性部材３が設けられてもよい。導電性部材３に発生する渦電流が大きくなる領域内に導電性部材３を設けることにより、導電性部材３を効果的に配置することができる。

そこで、導電性部材３の配置領域を通る仮想平面の各部に鎖交する磁石の磁束密度における、軸方向Ｚ（中心直線に平行な方向）の成分が、各部の軸方向Ｚの成分の最大値の１／５倍以上になる領域である仮想有効領域の内側に、導電性部材３が設けられるとよい。この構成によれば、渦電流の発生が小さく、打ち消し効果の小さい無駄な導電性部材３が設けられることを抑制できる。

このような仮想有効領域は、図６を用いて説明した有効領域と同様に、回転軸心Ｃを中心とした円環板状又は円板状の領域になる。そして、円環板状又は円板状の仮想有効領域の内側に、導電性部材３を設けることにより、導電性部材３を効果的に配置することができる。例えば、板状部材８において、仮想有効領域の内側に導電性部材３が設けられる。或いは、板状部材８が設けられず、仮想有効領域の内側に設けられた導電性部材３、及び導電性部材３の支持部材が設けられてもよい。

例えば、仮想有効領域と導電性部材３の配置領域とを一致させることが考えられる。この場合は、無駄な導電性部材３の配置を抑制しつつ、渦電流による打ち消し効果を最大限に得たい場合に好適である。

図６の（ａ）に示したように、導電性部材３が磁気センサ２の近くに配置される場合は、円環板状に形成された導電性部材３は、磁石１よりも径方向外側の径方向位置に形成される。

なお、上述した板状部材８のように、仮想有効領域の範囲外にも、導電性部材３が設けられてもよく、仮想有効領域よりも狭い領域に導電性部材３が設けられてもよい。

＜円環板状又は円板状の導電性部材３＞
式（１０）の円周上に発生した渦電流による磁束密度を径方向に積算したものが、渦電流磁束密度Ｂｅの式（１１）になる。図７の（ａ）のような、回転軸心Ｃを中心とする円環板状の導電性部材３であれば、磁石１の角度θに応じて、磁気センサ２に生じる渦電流磁束密度Ｂｅの方向は変化するものの、渦電流磁束密度Ｂｅの大きさ、すなわち、渦電流磁束密度Ｂｅの基本波振幅Ｂｅ＿ａｍｐは変化しない。そのため、磁石１の角度θに応じて、式（１９）に示した（Ｂｅ＿ａｍｐ／Ｂｍ＿ａｍｐ―δ）×ωの角度ずれは変動しない。

一方、図７の（ｂ）に示すように、回転軸心Ｃを中心した円周上の領域の一部に、導電性部材３が設けられていない場合は、磁石１のＮ極又はＳ極が、導電性部材３が設けられていない部分に近づく角度θになると、導電性部材３に発生する渦電流が低下し、渦電流磁束密度Ｂｅの絶対値（渦電流磁束密度Ｂｅの基本波振幅Ｂｅ＿ａｍｐ）が低下する。

このことを数式で表現すると式（２３）になる。すなわち、渦電流磁束密度Ｂｅの基本波振幅Ｂｅ＿ａｍｐに、２次の外乱が生じる。

角度ずれに着目する場合には式（２３）の第２項を無視して考えてよいので、合計磁束密度Ｂｓは、式（２４）になる。

式（２４）のＸ軸成分とＹ軸成分の位相差は、式（２５）のように変化するものの、αが微小であれば、角度ずれは式（２６）となる。

なお、式（２３）の通り、渦電流磁束密度Ｂｅの基本波振幅にｎ次成分が含まれる場合、渦電流磁束密度Ｂｅにはｎ±１次の変動成分が重畳されるので、基本波振幅に２次成分が含まれると角度ずれに影響が出る。基本波振幅に３次以上の高次成分が含まれる場合には、角度変動には影響が出るものの、角度ずれへの影響は小さい。

また、図７の（ｃ）に示すように、図７の（ａ）の円環板状の領域の内側に、導電性部材３を設けない円環板状の領域設けても、式（２７）のように、導電性部材３を設けない領域による低減率をβとすると、渦電流磁束密度Ｂｅの基本波振幅Ｂｅ＿ａｍｐを調整することができる。この場合は、図７の（ａ）の基本波振幅をＢｅ＿ａｍｐとすると、渦電流磁束密度Ｂｅの基本波振幅は、Ｂｅ＿ａｍｐ（１－β）になる。

従って、回転軸心Ｃを中心とした複数重ねの円環板状の領域に導電性部材３が設けられる場合も、図７の（ａ）と同様に、磁石１の角度θに応じた角度ずれの変動は生じない。

また、図７の（ｄ）に示すような、回転軸心Ｃを中心とした円板状の領域に導電性部材３が設けられる場合も、図７の（ａ）と同様に、磁石１の角度θに応じた角度ずれの変動は生じない。

従って、導電性部材３は、回転軸心Ｃを中心とした円環板状又は円板状に形成されているとよい。このように形成すると、導電性部材３の渦電流により磁石１の角度θに応じた角度ずれの変動が生じないようにできる。

特に、上述した有効領域又は仮想有効領域の内側において、導電性部材３が回転軸心Ｃを中心とした円環板状又は円板状に形成されているとよい。有効領域又は仮想有効領域の外側の導電性部材３の形状が、円環板状でなくても、渦電流の発生が十分に小さいため、角度ずれの変動を生じないためである。そのため、上述したように、有効領域又は仮想有効領域よりも広い矩形の板状部材８の全体に矩形板状の導電性部材３が設けられてもよい。

＜導電性部材３を設けた基板＞
上述した板状部材８が、基板８であってもよい。すなわち、導電性部材３が、磁気センサ２が実装される基板８に設けられてもよい。この構成によれば、磁気センサ２が実装される基板８を有効利用して、導電性部材３を配置することができる。

例えば、基板８は、ｎ層の基板（ｎは自然数）であり、導電性部材３は、少なくとも１層に形成された板状の導電性部材とされるとよい。各層と磁石１の距離が異なるため、打ち消し効果がもっと高い層に、導電性部材３が設けられるとよい。

基板８の各部に鎖交する磁石の磁束密度における、軸方向Ｚ（中心直線に平行な方向）の成分が、各部の軸方向Ｚの成分の最大値の１／５倍以上になる領域を、有効領域とする。回路パターンは、導電性の銅箔、はんだ、回路素子などから構成される。有効領域に導電性の回路パターンが形成されると、回路パターンに渦電流が発生し、回路パターンが形成された周方向の位置の渦電流磁束密度が増加し、角度ずれの変動が生じる。よって、図７（ｃ）と同様に、渦電流の発生が大きくなる有効領域の一部に回路パターンを形成しないことで、渦電流磁束密度の基本波振幅の調整が可能となり、角度ずれが生じることを抑制できる。

図６の（ａ）に示したように、基板８が磁石１に近い場合は、有効領域は円環板状の領域になる。そして、回路パターンは、円環板状の有効領域よりも径方向内側の領域に設けられるとよい。なお、磁気センサ２は、円環板状の有効領域よりも径方向内側の領域に実装される。なお、回路パターンは、有効領域よりも径方向外側の領域に設けられてもよい。

なお、導電性部材３は、基板８とは別に設けられてもよい。

＜出力回路のフィルタの別例＞
出力回路のフィルタは、式（１５）で示した一次遅れフィルタ以外であってもよい。例えば、出力回路のフィルタは、式（２８）の伝達関数に示すような２次のローパスフィルタであってもよい。ここで、ωｃは、カットオフ周波数である。

このフィルタに角速度ωの信号を通したときの位相ずれは、式（２９）で与えられる。

検出対象の角速度ωは、カットオフ周波数ωｃよりも十分に小さいので、式（２９）の位相ずれを式（３０）のように近似でき、時定数δは、式（３０）のようになる。

＜磁石１及び磁気センサ２の配置＞
図８は、磁石１と磁気センサ２の距離による磁力線１０の違いを示している。図８の（ａ）のように磁石１と磁気センサ２の距離を小さくすると、磁気センサ２のＸＹ平面上の成分が大きくなるため、磁気センサ２の位置が、回転軸心Ｃから少しずれた場合であっても波形の歪みが小さい。一方、図８の（ｂ）のように、磁石１と磁気センサ２の距離を大きくすると、磁気センサ２のＸＹ平面上の成分が小さくなるため、磁気センサ２の位置が、回転軸心Ｃから少しずれた場合の波形変化が大きくロバスト性が低下する。本実施の形態では、磁気センサ２を、磁石１と導電性部材３との間に配置することで、磁石１と磁気センサ２の距離を小さくして、磁気センサ２の位置ずれに対するロバスト性を高めている。

また、磁気センサ２は、回転軸心Ｃを中心として回転する磁石１の磁界を検出するものであるから、回転軸心Ｃ上にあることが望ましく、図３の点線で表した円周の中心に、磁気センサ２が位置する。したがって、有効領域は、磁気センサ２を中心とした、磁石１の外径を半径とする円の外側としてもよい。

＜導電性部材の配置の別例＞
図９に示すように、導電性部材３ａを磁石１に対して磁気センサ２とは反対側に配置してもよい。導電性部材３ａに鎖交する磁石１の磁界１０の軸方向Ｚの成分の方向は、図１の場合とは逆になり、導電性部材３ａの渦電流により生じる磁界３０ａの方向も逆になる。しかし、磁気センサ２に対する導電性部材３ａの配置は、図１の場合の逆になるので、磁気センサ２に鎖交する渦電流による磁界３０ａの向きは、図１の場合と同じになる。すなわち、渦電流による磁界３０ａにより、図１の場合の式（１９）と同様に、角度θの位相が進む。よって、上述したことは、図９のような配置であっても成り立つ。

なお、磁石１と導電性部材３ａは軸方向Ｚに完全にずれている必要は無く、図１０のように、磁石１と導電性部材３とが軸方向Ｚに一部重複してもよい。この場合も、導電性部材３が、磁石１に対して磁気センサ２とは反対側に配置された部分を有していればよい。

また、図１１に示すように、導電性部材として、第１の導電性部材３ｃと第２の導電性部材３ｂとが設けられ、第１の導電性部材３ｃは、磁気センサ２に対して磁石１とは反対側に配置され、第２の導電性部材３ｂは、磁石１に対して磁気センサ２とは反対側に配置されてもよい。第１及び第２の導電性部材３ｃ、３ｂの双方に、磁気センサ２の出力回路の応答遅れを打ち消す磁界を発生させることができ、その分担比率の自由度が得られる。

＜角度検出装置を備えた回転電機の制御装置＞
角度検出装置が、回転電機の制御装置２０に備えられる場合を説明する。図１２に示すように、磁石１が、回転電機２５のロータの回転軸４に固定される。角度算出器６は、磁気センサ２の出力信号に基づいて回転軸４の角度θを算出し、回転電機の制御装置２０に出力する。回転電機の制御装置２０は、電圧指令演算部２１及び電圧印加部２２等を備えている。電圧指令演算部２１は、角度算出器６から出力された角度θ、回転電機２５の巻線に流れる電流検出値等に基づいて、ベクトル制御などの公知の制御方法を用いて、巻線に印加する電圧指令値を算出する。電圧印加部２２は、電圧指令値に基づいて、インバータに設けられた複数のスイッチング素子のオンオフ制御を行い、巻線に電圧を印加する。

回転電機２５の出力トルクは、式（３１）で与えられる。

ここで、Ｐは極対数であり、Ｉは電流ベクトルの絶対値であり、βは電流ベクトルの位相であり、Ｌｄはｄ軸自己インダクタンスであり、Ｌｑはｑ軸自己インダクタンスであり、φは磁束である。

角度検出装置の角度ずれがεである場合は、電流ベクトルの位相βが角度ずれεだけずれ、正しく制御したとしても回転電機２５の出力トルクは、式（３２）となり、式（３１）の所望のトルクＴｔｇｔからずれる。

出力トルクの精度要求値がＴｔｈである場合、角度ずれεは少なくとも式（３３）をみたせばよい。そして、式（２１）において、角度ずれの最大値θｍａｘの代わりに、式（３３）を満たす角度ずれεを用いれば、角度ずれの許容値Ｋを設定することができる。

ただし、電圧飽和領域においては電流追従性が悪化するため、式（３３）より小さい角度ずれが要求される。電圧指令演算部２１の仕様に応じて、角度ずれεの要求値を決定すればよい。

回転電機２５が、車両用の発電電動機である場合、図１３のような構成となる。回転電機の回転軸４は、ベルト１０１を介して内燃機関１００に接続される。回転電機２５が電動機として機能するときは、内燃機関１００を補助し、車輪の駆動力となる。回転電機２５が発電機として機能するときは、内燃機関１００の駆動力を用いて発電する。よって、駆動力又は発電量の精度に基づいて出力トルクの精度が決定され、それに従って角度ずれεの要求値は定まる。要求をみたす角度ずれにすることで、ユーザに不快な駆動力不足あるいは駆動力過多、バッテリ性能の悪化につながる発電不足を防止することができる。

本開示は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１ 磁石、２ 磁気センサ、３ 導電性部材、４ 回転体、８ 板状部材、２０ 回転電機の制御装置、Ｂｅ＿ａｍｐ 渦電流磁束密度の基本波振幅、Ｂｍ＿ａｍｐ 磁石磁束密度の基本波振幅、Ｃ 回転軸心、Ｋ 角度ずれの許容値、δ 時定数

Claims (17)

1. 回転体に取り付けられる磁石と、
   前記磁石と対向して配置され、前記磁石の磁界方向に応じた信号を出力し、出力回路に応答遅れを有する磁気センサと、
   前記磁気センサに対向して配置された導電性部材と、を備え、
   前記導電性部材は、前記磁石の中心と前記磁気センサの中心とを通る中心直線を中心とする円環板状又は円板状に形成され、
   前記導電性部材の渦電流によって生じる、前記磁気センサに鎖交する磁束密度である渦電流磁束密度の基本波振幅をＢｅ＿ａｍｐとし、前記磁気センサに鎖交する前記磁石の磁束密度である磁石磁束密度の基本波振幅をＢｍ＿ａｍｐとし、前記磁気センサの出力回路の応答遅れの時定数をδとし、角度ずれの許容値をＫとして、
   ｜Ｂｅ＿ａｍｐ／Ｂｍ＿ａｍｐ－δ｜≦Ｋ
   の関係が満たされるように、前記円環板状又は前記円板状の前記導電性部材の配置形状が設定されている角度検出装置。
2. 前記関係が満たされるように、前記導電性部材の配置形状として、前記円環板状又は前記円板状の前記導電性部材の径方向の幅、前記磁気センサ及び前記磁石に対する前記導電性部材の距離、及び前記導電性部材における前記中心直線を中心とする各点の抵抗のいずれか一つ以上が設定されている請求項１に記載の角度検出装置。
3. 前記導電性部材の配置領域を通る仮想平面の各部に鎖交する前記磁石の磁束密度における、前記磁石の中心と前記磁気センサの中心とを通る前記中心直線に平行な成分が、各部の前記中心直線に平行な成分の最大値の１／５倍以上になる領域である仮想有効領域の内側に、前記導電性部材が設けられている請求項１又は２に記載の角度検出装置。
4. 前記仮想有効領域と前記導電性部材の配置領域とが一致している請求項３に記載の角度検出装置。
5. δ＝Ｂｅ＿ａｍｐ／Ｂｍ＿ａｍｐ
   の関係が満たされるように、前記導電性部材の配置形状が設定されている請求項１から４のいずれか一項に記載の角度検出装置。
6. 前記導電性部材は、前記磁気センサに対して前記磁石とは反対側に配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の角度検出装置。
7. 前記導電性部材は、前記磁石に対して前記磁気センサとは反対側に配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の角度検出装置。
8. 前記導電性部材は、第１の導電性部材と第２の導電性部材とを有し、
   前記第１の導電性部材は、前記磁石に対して前記磁気センサとは反対側に配置され、
   前記第２の導電性部材は、前記磁気センサに対して前記磁石とは反対側に配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の角度検出装置。
9. 前記円環板状に形成された前記導電性部材は、前記磁石よりも径方向外側の径方向位置に形成されている請求項１から８のいずれか一項に記載の角度検出装置。
10. 前記導電性部材は、前記磁気センサが実装される基板に設けられている請求項１から９のいずれか一項に記載の角度検出装置。
11. 前記基板は、ｎ層の基板（ｎは自然数）であり、
    前記導電性部材は、少なくとも１層に形成された板状の導電性部材である請求項１０に記載の角度検出装置。
12. 前記基板の各部に鎖交する前記磁石の磁束密度における、前記磁石の中心と前記磁気センサの中心とを通る中心直線に平行な成分が、各部の前記中心直線に平行な成分の最大値の１／５倍以上になる領域を、有効領域とし、
    前記基板における前記有効領域には、回路パターンが形成されていない請求項１０又は１１に記載の角度検出装置。
13. 前記有効領域は、円環板状の領域であり、前記基板における前記円環板状の領域よりも径方向内側の領域に回路パターンが形成されている請求項１２に記載の角度検出装置。
14. 前記磁石及び前記磁気センサは、前記回転体の回転軸心上に配置されている請求項１から１３のいずれか一項に記載の角度検出装置。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載された前記角度検出装置を備え、前記角度検出装置により検出された回転電機のロータ角度に基づいて、前記回転電機を制御する回転電機の制御装置。
16. 前記回転電機は、車両用の発電電動機である請求項１５に記載の回転電機の制御装置。
17. 請求項１から１４のいずれか一項に記載された前記角度検出装置を備え、前記角度検出装置により検出された回転電機のロータ角度に基づいて、前記回転電機を制御する回転電機の制御装置であって、
    前記角度ずれの許容値は、前記回転電機の出力トルクの精度要求値により決定される回転電機の制御装置。

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