WO2017183176A1

WO2017183176A1 - 回転電機

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Publication number: WO2017183176A1
Application number: PCT/JP2016/062732
Authority: WO
Inventors: 古川　晃; 昭彦森
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-10-26
Also published as: EP3447889A1; EP3447889B1; CN109075688A; JP6556341B2; EP3447889A4; JPWO2017183176A1; US11070113B2; CN109075688B; US20210175781A1

Abstract

　出力軸（７）、この出力軸（７）を取り囲むケース（２１）内に固定された磁性体（２８）、出力軸（７）に固定され、出力軸（７）の回転角度を検出するための磁界を発生させるセンサマグネット（２７）、ケース（２１）内に固定され、出力軸（７）の軸方向において、磁性体（２８）とセンサマグネット（２７）との間に配置され、回転角検出用の磁界の強度に応じて信号を出力する回転センサ（２６）を備えた回転電機（１００）において、センサマグネット（２７）は、出力軸（７）を中心とした周方向にＳ極、Ｎ極が着磁され、回転センサ（２６）は、磁界の磁束密度Ｂの、出力軸（７）を中心とした径方向成分Ｂｒと周方向成分Ｂθの振幅が同等となる領域に配置される。

Description

回転電機

　この発明は、出力軸の回転角を検出するための回転センサを装着した回転電機に関するものである。

　従来の回転電機として、例えば、車両用電動パワーステアリング装置の電動モータに回転センサを装着させた装置が知られている。さらに、回転センサにより検出した回転信号から回転位置、回転角を算出する制御ユニットを、回転電機に一体化させた装置も知られている。このように、回転センサおよび制御ユニットを一体化した回転電機では、装置全体を小型化、軽量化したことにともなって、ノイズ抑制、回転精度向上という課題が生じていた（例えば、特許文献１参照）。

特許第３７３８９６６号

　特許文献１には、回転電機のリング磁石（センサマグネット）とホール素子（回転センサ）の位置決めに関しての記載がある。この構造では、ステータコイルの極近傍にリング磁石が装着され、ホール素子は、軸受の筒部に装着されている。そして、リング磁石とホール素子は、わずかな隙間を介して対向配置されている。この特許文献１に示された装置の構造では、リング磁石、ホール素子は極近傍に配置され、さらに周辺の部材に密着させることによって小型化を図っていた。
　また、特許文献１に開示された構造では、リング磁石から磁気バイパス部材への軸方向の磁束密度を検出する構造となっており、複数位置での検出が必要であった。その場合には、ホール素子の位置精度によって回転角度の検出精度が決定されるため、複数のホール素子の位置精度を管理する必要があった。

　この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、出力軸の回転角度を検出するための回転センサの配置を最適化させた回転電機を得ることを目的とする。

　この発明に係わる回転電機は、回転電機の出力軸、上記出力軸を取り囲む上記回転電機のケース内に固定された磁性体、上記出力軸に固定され、上記出力軸の回転角度を検出するための磁界を発生させるセンサマグネット、上記回転電機のケース内に固定され、上記出力軸の軸方向において、上記磁性体と上記センサマグネットとの間に配置され、回転角検出用の上記磁界の強度に応じて信号を出力する回転センサを備え、上記センサマグネットは、上記出力軸を中心とした周方向にＳ極、Ｎ極が着磁され、上記回転センサは、上記磁界の磁束密度の、上記出力軸を中心とした径方向成分と周方向成分の振幅比をｋとしたとき、振幅比ｋで表現されるｎ次（ｎは偶数）の角度誤差ｆｎ（ｋ）が、要求される回転角検出精度Ｅを満たす領域に配置されることを特徴とするものである。

　この発明の回転電機によれば、センサマグネットと磁性体が生成する磁界の磁束密度の径方向成分と周方向成分の基本波振幅の差異を抑制することができ、出力軸の回転角検出精度を向上させることが可能となる。
　この発明の上記以外の目的、特徴、観点および効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の側断面図である。実施の形態１の回転電機のセンサマグネットの平面図である。実施の形態１の回転電機の制御ユニットを示す側断面図である。実施の形態１の回転電機の制御ユニットを示す側断面図である。図５（ａ）は、回転電機において発生する磁界の磁束密度Ｂの径方向成分Ｂｒと周方向成分Ｂθの振幅比が１である場合の、磁束密度の角度依存性を示す図であり、図５（ｂ）は、正弦信号Ｖｓｉｎと余弦信号Ｖｃｏｓの信号値の角度依存性を示す図である。図６（ａ）は、回転電機において発生する磁界の磁束密度Ｂの径方向成分Ｂｒと周方向成分Ｂθの振幅比が１．２である場合の、磁束密度の角度依存性を示す図であり、図６（ｂ）は、正弦信号Ｖｓｉｎと余弦信号Ｖｃｏｓの信号値の角度依存性を示す図である。図７（ａ）は、回転電機において発生する磁界の磁束密度Ｂの径方向成分Ｂｒと周方向成分Ｂθの振幅比が１．８である場合の、磁束密度の角度依存性を示す図であり、図７（ｂ）は、正弦信号Ｖｓｉｎと余弦信号Ｖｃｏｓの信号値の角度依存性を示す図である。回転電機の軸方向と径方向の座標上における角度検出精度を示した模試図である。本発明の実施の形態２の回転電機の制御ユニットを示す側断面図である。本発明の実施の形態２の回転電機の制御ユニットを示す側断面図である。本発明の実施の形態１および実施の形態２の回転電機の説明図であり、パワー部を流れる電流が生成する磁界がシールドされることを示す模式図である。

実施の形態１．
　本発明の実施の形態１の回転電機は、モータと制御ユニットが一体化された構造であり、出力軸の回転角度を検出する回転センサを備えている。そして、一つの回転センサによって、センサマグネットと磁性体との間に生じる磁界の磁束密度を計測し、出力軸の回転角度を検出する。一つの回転センサで出力軸の回転角度を検出する場合には、出力軸を中心とした磁束密度の径方向成分と、磁束密度の周方向成分との関係から、回転角を算出することができる。しかし、磁束密度の径方向成分と周方向成分の振幅比が１からずれると、そのズレに応じて回転センサの出力値に角度誤差が表れる。
　そこで、本発明の回転電機では、検出する回転角度の誤差低減のため、回転センサを、磁束密度の径方向成分と周方向成分の振幅比のずれ量を低減できる領域に配置することを提案している。

　以下、この発明の実施の形態１による回転電機について、図１ないし図８を用いて説明する。各図において、同一または相当する部分については同一符号を付して説明する。
　図１は、回転電機１００の側断面図であり、例えば、電動パワーステアリング装置を示している。回転電機１００は、モータ１と制御ユニット２０を一体化させた構造である。そして、図１に例示するように、出力軸７の端部側（紙面下側）にモータ１が配置され、出力軸７の出力側（紙面上側）に、制御ユニット２０が、同軸上に配置されている。
　モータ１は、主構成要素として、ヨーク２、ステータ３、ロータ４等を含んでいる。そして、ヨーク２の内部には、巻線コイルが巻回されたステータ３が配置されている。ステータ３の両端には、巻線コイルの端部を構成するコイルエンド５が位置し、コイルエンド５から巻線端子９が、環状の支持部８を介してモータ１の外部に延出されている。

　そして、ステータ３の中心部には、出力軸７が配置され、ステータ３の内周側には、出力軸７に固定されたロータ４が配設されている。このロータ４は、永久磁石を装着してなる。
　出力軸７は、図１中において、回転電機１００の上部および下部に設けられた軸受６により回転可能に支持されている。軸受６は、出力軸７に固定された内輪６ａとケース２１に固定された外輪６ｂによってボールを保持する構成である。
　モータ１は、その上部がフレーム１０によって覆われている。そして、このフレーム１０から下部がモータ１に相当している。
　モータ１がブラシレス３相モータである場合、少なくとも３相分の巻線端子９がフレーム１０の孔に挿通されて図中上側に延出されている。

　回転電機１００を構成する制御ユニット２０は、出力軸７の出力側、つまり、モータ１のフレーム１０の上部に設けられている。出力軸７を取り囲み、制御ユニット２０を構成するケース２１は、ヨーク２と同径となるように設けられ、その内部には回路部を構成する制御基板２２が配置されている。制御基板２２は、ＣＰＵを搭載しており、モータ１を駆動するための制御信号を出力する。

　図１において、制御基板２２の下側には、その制御信号を受けて、モータ１の巻線コイルに電流を供給するためのパワー部２３が配置されている。このパワー部２３には、モータ１がブラシレス３相モータである場合、多数のスイッチング素子がブリッジ構成で搭載されている。このパワー部２３は、図１中の左右に１個ずつ計２個が配置されている。モータ１への電流供給のため、パワー部２３ではスイッチング素子の制御により発熱があり、フレーム１０をヒートシンクとして利用し、放熱する構成を採っている。フレーム１０（ヒートシンク）を貫通した巻線端子９と、パワー部２３の端子とは接続されており、その接続は、例えば溶接によってなされている。さらにパワー部２３からは複数の端子が制御基板２２へ延出され、この端子には上述の制御信号が伝達される構成となっている。

　制御基板２２とパワー部２３との中間には、絶縁性部材よりなる中間部材２４が配設されている。この中間部材２４には、パワー部２３への電源ライン（＋、－）他の導電体が挿通されている。また中間部材２４と制御基板２２との空間にはコンデンサ他の部品を配置して、空間を有効に利用している。

　出力軸７は、制御ユニット２０の中央を通り、ケース２１を貫通して外部に延出されている。出力軸７の先端では減速機（図示せず）と嵌合する構成となっている。その出力軸７の回転の状態を検出することは、特にブラシレスモータでは重要である。そして、この回転角の検出精度が悪いと、回転角から算出される回転位置の検出精度も同様に悪くなり、モータ１の回転のスムーズ性に影響することがわかっている。そのため、出力軸７の回転状態を検出するための回転センサ２６は、検出精度が重要な設計アイテムとなっている。さらに、回転センサ２６が満たすべき要件に、小型化の要素が含まれることは上述の通りである。

　制御ユニット２０には、回転角検出のための磁界を発生させるセンサマグネット２７が配設される。本構成の回転電機１００においては、モータ１と制御ユニット２０とを一体化し、小型化したため、センサマグネット２７は、出力軸７の端部に装着することができず、中間部に配置される。このセンサマグネット２７は、回転角の検出精度向上、ノイズ抑制のため、モータ１の駆動電流が流れているパワー部２３に近接配置させることはできない。よって、センサマグネット２７は、制御基板２２の、パワー部２３とは反対側の面（図１中上側）に配設される。

　図２に、センサマグネット２７の平面図を示す。センサマグネット２７は、平面形状が環状であり、一様な厚さを持つ板状部材である。そして、図２に示すように、Ｎ極、Ｓ極が、出力軸７の軸方向を中心とした円周方向に着磁されている。ここでは１極対のものについて説明するが、多極対のものであっても同様のことが言える。そして、図１に示すように、このＮ、Ｓの磁界を検出する回転センサ２６は、センサマグネット２７の上側に配置されている。

　ここで、出力軸７の軸方向において、回転センサ２６を、センサマグネット２７から見て制御基板２２側に、または制御基板２２上に配置することも考えられる。しかし、磁界の強さの変化を検出するためには所望の方向成分の磁界を実現するための磁性体が必要である。磁性体を配置するスペースが、制御基板２２側、または制御基板２２上にある場合は、そのような構成も採用できる。
　ここでは装置の小型化のため、図１に示すように、磁性体２８を、センサマグネット２７から見て制御基板２２側には配置せず、制御基板２２が設けられていないセンサマグネット２７の上側に配置する場合について説明する。

　磁性体２８が収納されるケース２１は、鉄系の磁性体ではなく、アルミニウム系の非磁性体とする。そして、そのケース２１の内側に環状の磁性体２８（例えば鉄製）を装着している。さらに、この磁性体２８の図１中下側には回転センサ２６を搭載したセンサ基板２５が配置されている。回転センサ２６への電源供給、さらにはセンサからの検出信号等の送受信のため、電気配線２９によりセンサ基板２５と制御基板２２は接続されている。
　センサマグネット２７のＮ極の磁束の一部は、磁性体２８へ到達する。回転センサ２６は、センサマグネット２７と磁性体２８との中間部に配置されている。

　図３を用いて、磁性体２８の外径よりもセンサマグネット２７ａの外径が小さい場合の、回転センサ２６ａの配置について詳細に説明する。図３は、図１の回転電機１００の制御ユニット２０の側断面図であり、回転センサ２６ａの配置領域付近の拡大図を示している。センサマグネット２７ａの外径は、磁性体２８の外径よりも小さい。センサマグネット２７ａから磁性体２８へ向かって生成される磁界のうち、回転センサ２６によって高精度に回転角を検出することが可能となる磁束の有効範囲３１ａは、図３に示すように四角形で示すことができる。この有効範囲３１ａは、回転角検出用の磁界の強度に応じて決められた領域に相当する。

　つまり、有効範囲３１ａに回転センサ２６ａを配置すれば、出力軸７の回転角度の検出誤差を低減することができる。回転センサ２６ａは、その一部が検出部となっているが、その検出部が、有効範囲３１ａに入るように配置すればよく、回転センサ２６ａの検出部以外の部分が有効範囲３１ａからはみ出して配置されていても問題ない。
　有効範囲３１ａは、図３に示すように、センサマグネット２７ａの外径（最大円周端）から磁性体２８の外周部へ延ばされた矢印３０ｂと、センサマグネット２７ａの内周のある位置から磁性体２８の内周端へ延ばされた矢印３０ａで囲まれた四角形の範囲に相当している。
　センサマグネット２７の外径が、磁性体２８の外径よりも小さい場合、回転センサ２６ａは、センサマグネット２７を投影した範囲よりも径方向外側に配置することができる。

　次に、この有効範囲３１ａの決定方法について説明する。
　図３中の矢印ｚは出力軸の軸方向（ｚ方向）を示し、矢印ｒはセンサマグネット２７ａの径方向（ｒ方向）を示す。紙面奥から手前に向けての方向が周方向（θ方向）を示し、このθ方向に、センサマグネット２７ａは回転する。
　なお、図３中において、回転センサ２６ａおよび支持基板となるセンサ基板２５は、それらの配置が、角度検出用の磁界の強度に応じて決められることから、仮想線にて表示を行っているものである。

　まず、回転センサ２６ａのｚ方向における配置は、センサマグネット２７ａと磁性体２８との距離に関係し、磁界の強さは、磁極の強さの積に比例し、距離の２乗に比例するというクーロンの法則によって決定される。
　回転センサ２６ａのセンサマグネット２７ａからのｚ方向の距離は、磁界の強さ（磁束密度）を確保できる距離に決められるため、この最大距離は自ずと決定される。つまり、磁性体２８とセンサマグネット２７ａの距離は、磁性体２８が十分に磁束を吸い寄せることができる範囲とするとよい。回転センサ２６ａは、センサ基板２５上に設けるが、ｚ方向の距離が決まれば、センサ基板２５を有効距離に配置するために、脚部２５ａ等を用いてセンサ基板２５の高さ調整を行うことができる。

　次に、矢印３０ｂで表されるセンサマグネット２７ａ（磁極）の最外周端と磁性体２８の外周側との間を結ぶ境界線は、矢印ｚと同様に、磁界が距離の２乗で減衰することを考慮して決定することができる。そのため、有効範囲３１ａは、磁性体２８の外周端までは使用していないものである。

　同様に、磁性体２８の外径よりもセンサマグネット２７ｂの外径が大きい場合の、回転センサ２６ｂの配置について詳細に説明する。図４は、図１の回転電機１００の制御ユニット２０の側断面図であり、回転センサ２６ｂの配置領域付近の拡大図を示している。図４を用いて回転センサ２６ｂの配置について詳細に説明する。センサマグネット２７ｂの外径は磁性体２８の外径よりも大きい。センサマグネット２７ｂから磁性体２８へ向かって生成される磁界のうち、回転センサ２６ｂによって高精度に回転角を検出することが可能となる磁束の有効範囲３１ｂは、図４に示すように四角形で示すことができる。

　つまり、有効範囲３１ｂに回転センサ２６ｂを配置すれば、回転角度の検出誤差を低減することができる。この有効範囲３１ｂは、有効範囲３１ａと同様に決定すればよく、図４に示すように、センサマグネット２７ｂの外径端部から磁性体２８の外周部へ延ばされた矢印３０ｄと、センサマグネット２７ｂの内周のある位置から磁性体２８の内周端へ延ばされた矢印３０ｃで囲まれた四角形の範囲に相当している。有効範囲３１ｂは、回転角検出用の磁界の強度に応じて決められた領域に相当する。
　センサマグネット２７の外径が、磁性体２８の外径より大きい場合、回転センサ２６ｂは、センサマグネット２７を投影した範囲内に配置することができる。
　また、回転センサ２６（２６ａ、２６ｂ）の配置を決定する上で、磁界の径方向ｒ、周方向θについては適切な関係があることを考慮して、有効範囲３１ａ、３１ｂの内周側の境界線を決定する必要がある。

　ここで、回転センサ２６となる磁気センサとしては、例えばＭＲ素子がある。ＭＲ素子は磁気抵抗素子であり、磁束密度にほぼ比例してその磁気抵抗値が増加する。このような磁気抵抗素子を直列に２個接続し、磁石などの磁界によって電気抵抗が変化する素子の両端に現れる電圧を検出する。磁界が両抵抗素子に均等にかかれば中央値（中点電圧）となり、均等ではなく差異があるように磁界がかかれば、その中心の電圧が変化することから、検出した電圧から出力軸７の回転角を求めることができる。回転センサ２６は、ここで検出できる方向成分の異なる磁気抵抗素子を２つ有することによって、一方を正弦信号Ｖｓｉｎ、他方を余弦信号Ｖｃｏｓとして検出することができる。ここでは直列に２個接続した磁気抵抗素子を持つ回転センサ２６を用いて説明するが、磁気抵抗素子であれば同様のことが言えることはいうまでもない。

　磁束密度Ｂは３方向の成分を持つベクトルとして表現でき、径方向成分Ｂｒ、周方向成分Ｂθ、軸方向成分Ｂｚは、次の式（１）で与えられる。

　ＶｃｏｓおよびＶｓｉｎ、ＢｒおよびＢθの関係は、次の式（２）で与えられる。

　ＢｒとＢθの振幅が等しい場合には式（２）の分母は一定値ａ_ｒ１となるが、振幅が異なる場合には変動する。分母に平方根を含む式をテイラー展開した場合には、次の式（３）のように展開できるので、ＶｃｏｓおよびＶｓｉｎは次の式（４）のように与えられる。

　つまり、ＢｒとＢθの振幅比が１とは異なる場合には、ＶｃｏｓおよびＶｓｉｎには奇数次の誤差成分が重畳される。
　このとき角度誤差ｅは、次の式（５）のような近似式で与えられる。

　奇数次の信号誤差成分は偶数次の角度誤差として表れるため、信号に含まれる高次の誤差成分が大きいほど検出角度に出てくる高次の誤差も大きくなるため、回転センサ２６が検出する正弦信号Ｖｓｉｎおよび余弦信号Ｖｃｏｓが共に歪みの少ない波形であるほど、回転角検出精度を向上させることができる。

　図５、図６、図７に、ＢｒとＢθの振幅比（１．０、１．２、１．８）に応じたＢｒおよびＢθの波形と、Ｖｃｏｓ、Ｖｓｉｎの波形を示す。
　図５（ａ）は、ＢｒとＢθの振幅比が１：１、つまり振幅が等しい場合のＢｒとＢθの磁束密度Ｂの角度依存性を示したものであり、図５（ｂ）は、そのときのＶｃｏｓ、Ｖｓｉｎの信号値Ｖの角度依存性を示すものである。
　図６（ａ）は、ＢｒとＢθの振幅比が１：１．２の場合のＢｒとＢθの磁束密度Ｂの角度依存性を示したものであり、図６（ｂ）は、そのときのＶｃｏｓ、Ｖｓｉｎの信号値Ｖの角度依存性を示すものである。
　図７（ａ）は、ＢｒとＢθの振幅比が１：１．８の場合のＢｒとＢθの磁束密度Ｂの角度依存性を示したものであり、図７（ｂ）は、そのときのＶｃｏｓ、Ｖｓｉｎの信号値Ｖの角度依存性を示すものである。

　図５、図６、図７から明らかなように、ＢｒとＢθの振幅比が１で、基本は振幅が同等となる場合には、正弦信号Ｖｓｉｎおよび余弦信号Ｖｃｏｓの歪みがなく、ＢｒとＢθの振幅比が１と異なる場合に、正弦信号および余弦信号の歪みが見られることが分かる。これは、式（４）の高周波成分、特に奇数次３次、５次、７次成分が大きくなるためであり、その結果、ＢｒとＢθの振幅が同等でなくなると、角度誤差が発生する。

　なお、装置の仕様によって要求される回転角検出精度が異なる場合があり、要求される精度を基にｒとθとの比率を決定することができる。例えば、図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、振幅の比率が１～１．２となる場合は精度を満たしたものと判断し、この振幅比に該当する装置は使用可とする。そして、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、振幅の比率が１．８となる場合は精度を満たしていないものと判断し、この振幅比に該当するような装置は使用不可とする。このように、ＢｒとＢθの振幅比によって仕様に合致する許容範囲を決定する。

　Ｖｃｏｓ、Ｖｓｉｎ、角度誤差の次数成分は振幅比ｋによる関数となっているため、ｎ次（ｎは偶数）の角度誤差成分をｆｎ（ｋ）、要求される回転角検出精度をＥと表現すると、振幅比ｋは、次の式（６）を満たす範囲にすればよい。

　例えば、振幅比ｋが１．２程度の場合について説明する。このとき、ＶｃｏｓおよびＶｓｉｎは、次の式（７）のようになる。

　ここでは簡単のため式（３）の第３項までを用いて近似して展開すると、ＶｃｏｓおよびＶｓｉｎは、次の式（８）で与えられる。

　このとき角度誤差ｅは、次の式（９）で与えられる。

　つまり、角度誤差の次数成分ｆｎ（ｋ）は、次の式（１０）で表すことができる。

　これらの誤差を、要求される回転角検出精度Ｅを満たす値とするためには、次の式（１１）で決定する範囲内に振幅比ｋを設定する必要がある。

　ここでは、２次、４次および６次の成分で許容範囲を決定したが、低次成分は公知の補正方法により低減する場合であれば、補正対象では無い次数成分のみを対象とすればよい。また、振幅比が大きい場合にはさらに高次の成分まで考慮して角度誤差ｅを見積もるとよい。なお、範囲を決定するために考慮すべき次数成分誤差のうち低次のものが最も大きいため、この成分が要求される回転角検出精度Ｅ以下となるように考えてもよい。

　さらに、図８は、原点を出力軸の軸方向のセンサマグネット２７の上面（磁性体２８側の面）の高さに設定し、軸方向ｚおよび径方向ｒの両距離座標に、同じ大きさの区画を割り振り、該当する区画における回転角検出精度を示した模試図である。各区画には回転角検出精度に応じた精度レベルが数字で示されている。その数字は、回転角検出精度が高い程大きい数となっている。

　図８では、回転角検出精度の精度レベルが５段階に示された場合を例示しており、回転角検出精度が低い（誤差が大きい）領域４０は、ハッチング無しのスペースに数字０が表示されている。領域４０の次に回転角検出精度が低い領域４１は、斜め線のハッチングスペースに数字１が表示されている。領域４１の次に回転角検出精度が低い領域４２は、格子のハッチングスペースに数字２が表示されている。領域４２の次に回転角検出精度が低い領域４３は、横縞のハッチングスペースに数字３が表示されている。回転角検出精度が最も高い（誤差がほとんどない）領域４４は、縦縞のハッチングスペースに数字の４が表示されている。

　そして、図８のデータを参照し、回転電機１００の要求する精度から、回転センサ２６の配置のために領域４３、４４のみが使用可能なのか、あるいは領域４２でも使用可能なのかを判定する。そして、定められた有効範囲に回転センサ２６を配置することで、回転センサ２６の回転角検出誤差を低減させることが可能となる。

　以上の結果から、定性的にセンサマグネット２７と回転センサ２６の配置に関して説明すると次のことが言える。
　出力軸７近傍では、磁界は磁性体２８を経由せずにセンサマグネット２７から出力軸７へ直接進む。そのため、図３および図４において示したセンサマグネット２７と出力軸７の近傍の領域３２ａ、３２ｂは、回転センサ２６ａを配置するために使用することができない。領域３２ａ、３２ｂと有効範囲３１ａ、３１ｂの間の領域は、上記ＢｒとＢθの関係からｒ方向成分がθ方向成分より大きく、正弦信号および余弦信号が歪むため使用不可領域である。有効範囲３１ａ、３１ｂが、ｚ、ｒ、θの全部を考慮して得られた回転角度検出精度が良好な領域（Ｂｒ：Ｂθ≒１：１の関係を有する領域）となる。

　なお、図３、図４においては、ここでは有効範囲３１ａ、３１ｂの境界線（矢印３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ）を斜めに書いたが、これに限定するものでは無い。例えば、センサマグネット２７と磁性体２８との距離によって磁束密度Ｂの各方向成分は変化するため、センサマグネット２７と回転センサ２６のｚ方向の距離によって、有効範囲３１ａ、３１ｂは変化する。そして、センサマグネット２７と回転センサ２６のｚ方向の距離が小さくなるほど、有効範囲３１ａの内径側の線（矢印３０ａ）とｚ軸のなす角、有効範囲３１ｂの外径側の線（矢印３０ｄ）とｚ軸のなす角は小さくなる。

　つまり、図３に示すように、回転センサ２６ａをセンサマグネット２７の外径より外側に置き、有効範囲３１ａを使用する場合には、ｚ方向の距離が小さくなるほど回転センサ２６ａを内径側に配置した方が、ＢｒとＢθの振幅比を１に近づけることができ、回転角検出誤差を低減させることができる。
　一方、図４に示すように、回転センサ２６ｂをセンサマグネット２７の外径より内側に置き、有効範囲３１ｂを使用する場合には、ｚ方向の距離が小さくなるほど回転センサ２６ｂを外径側に配置した方が、ＢｒとＢθの振幅比を１に近づけることができ、回転角検出誤差を低減させることができる。

　以上のように、センサマグネット２７、回転センサ２６、磁性体２８の配置を、ｚ、ｒ、θを考慮して決定し、回転角検出精度を向上させることにより、出力軸の回転精度向上およびノイズ耐量向上という効果を得ることができる。また磁性体２８においても、回転角検出誤差が低減される領域である有効範囲３１ａ、３１ｂを考慮して配置することで、磁性体２８自体の大きさを無駄に大きくする必要がなく、軽量化・小型化を図ることが可能となる。

　なお、環状の磁性体２８は、ケース２１の内面とセンサ基板２５との間に挟持される構造であり、磁性体２８と同じの高さの脚部２５ａをケース２１内に固定し、この脚部２５ａにセンサ基板２５を固定させて、両者間に磁性体２８を配設している。なお、この脚部２５ａを磁性体２８と同じ厚みに形成することで、磁性体２８を、センサ基板２５を固定する脚部として兼用することもでき、この場合、部品削減が可能となる。
　また磁性体２８の厚み方向の寸法制限は、センサマグネット２７からの磁束密度Ｂが飽和しない程度の厚みであれば問題ない。ここでは、環状の磁性体２８として説明したが、センサマグネット２７と磁性体２８の間で構成される磁気回路が有効であれば、切り欠き部を持つ形状であっても同様の効果を得られる。

　本実施の形態１では、より顕著に効果が出るＭＲ素子を回転センサ２６（２６ａ、２６ｂ）として用いる例を示したが、ホール素子など他の素子を用いてもＢｒとＢθの振幅比が良好となる範囲に回転センサ２６を配置させる構成とすることで、出力軸７の回転角検出誤差を小さく抑制することが可能となる。

　また、図１ではモータ出力軸の出力側に制御ユニット２０を配置し、その中にセンサマグネット２７、回転センサ２６を装着させた例を示したが、図中下側の出力軸７の反出力側に制御ユニットを配置した構造であっても同様に回転センサ２６の配置は決定することができる。

実施の形態２．
　次に実施の形態２について図９および図１０を用いて説明する。図９および図１０は、制御ユニット２０の側断面図であり、回転センサ２６ａ、２６ｂの配置領域付近をそれぞれ示している。
　上述の実施の形態１では、磁性体２８を配設した例を示していたが、この実施の形態２では、図９、図１０に示すように、磁性体２８は用いず、代わりに軸受６の外輪６ｂ、６ｄを磁性体として用いる例を示している。図９は、センサマグネット２７の外径が軸受６の外径よりも小さい場合を示し、図１０は、センサマグネット２７の外径が軸受の外径よりも大きい場合を示している。

　図９、１０に示すように、軸受６は、ケース２１によって保持され、軸受６の近傍にセンサマグネット２７が配置されている。そして、図３、４の場合と比較して、軸受６とセンサマグネット２７との距離を縮めるため、軸受６の下面がケース２１の内壁面とほぼ同一の高さとなるように配設されている。軸受６の内輪６ｃとボール６ｅは、出力軸７と一緒に回転するが、外輪６ｄはケース２１側に固定されており、回転はしない。
　また、この外輪６ｄはセンサマグネット２７と同様の環状であり、一定の径を有した構造である。さらに、この外輪６ｄは磁性体であり、例えば鉄製である。そのため、この外輪６ｄを、実施の形態１の磁性体２８の代わりに利用し、磁界を集める役目を請け負わせる構造となっている。

　この実施の形態２では、外輪６ｄの配置に応じて、回転センサ２６ａ、２６ｂの配置を決定する。
　まず、回転センサ２６ａ、２６ｂを配置できない領域として、図９、図１０に示すように、出力軸７の軸方向に平行となるように、センサマグネット２７から内輪６ｃの外径へ伸びる破線矢印３０ｃと、出力軸７との間の領域があり、上述した実施の形態１のｒ、θとの関係を考慮した配置禁止領域となる。同様にセンサマグネット２７の外周部から外輪６ｂの外径（最外周端）へ伸びる矢印３０ｂより外径側の領域も配置禁止領域となる。
　センサマグネット２７から軸受け６ｄの内径（最内周端）へ伸びる矢印３０ａは、上述の実施の形態１と同様に、Ｂｒ：Ｂθ≒１：１の関係を有する領域となるように設定することができる。そして、矢印３０ａ、３０ｂ、センサマグネット２７、外輪６ｄで囲まれた四角形の有効範囲３１ｂの領域上に回転センサ２６ａ、２６ｂを配置することができる。

　なお、出力軸７の太さ、出力軸７の回転トルクにより、軸受６の性能が決定され、軸受６の大きさが決まる。そのため、図９、図１０に示したように、有効範囲３１ａ、３１ｂの内周側の矢印３０ａは、破線矢印３０ｃの接点となるセンサマグネット２７上の位置と外輪６ｄの内径を結んだ線上に位置した状態となる。

　ここで、外輪６ｄは、センサマグネット２７と同様に環状である。そして、外輪６ｄとセンサマグネット２７の表面形状は、角部のスムージングなどがされていない、凹凸のない滑らかな表面形状であり、ｚ方向に依存して内径および外径が変化しない形状とする必要がある。
　外輪６ｄおよびセンサマグネット２７の外表面角部が、角が削られた滑らかな曲面となっている場合には、図９、図１０中の、紙面左右方向（径方向）及び上下方向に凹凸（寸法変化）があると、部分的に外輪６ｄとセンサマグネット２７の距離ｚ、ｒに変化が生じることになる。回転センサ２６ａ、２６ｂのｚ、ｒ方向の距離が変化すれば、検出精度悪化となる。

　このように、外輪６ｄを磁性体として使用する本構成においては、外輪６ｄの外径が実施の形態１の磁性体２８よりも小さく形成される傾向にあり、図９、図１０に示したように、回転センサ２６ａ、２６ｂを配置することが可能となる有効範囲３１ａ、３１ｂは、径方向の幅が実施の形態１の図３、図４と比較して狭くなる。
　有効範囲３１ａ、３１ｂを広げるためには、外輪６ｄに接して磁性体として機能する部品を追加するなどして、磁性体自体の形成範囲を広げることが有効である。そのためには、例えばボール６ｅに磁性体よりなるカバーを取り付ける、または、外輪６ｄの当接する外径方向に実施の形態１と同様な磁性体２８を配置する、あるいは、外輪６ｄの外側に別の外輪を装着させるなどすることで、磁性体として機能する部分の幅方向の寸法を、外輪６ｄのみを用いた場合よりも大きくすることが可能となる。

　上述の実施の形態１、およびこの実施の形態２においては、回転電機１００の軸方向に、磁性体２８または軸受６の外輪６ｄ、回転センサ２６、センサマグネット２７、パワー部２３を順に配置した例を示した。しかし、回転センサ２６は、磁界の磁束密度Ｂの、径方向成分Ｂｒと周方向成分Ｂθの振幅が同等となる領域、かつ、センサマグネット２７からの距離が、回転角度検出用の磁界の強度に応じて決められた領域内に配置されるという条件を満たすことができれば、センサマグネット２７、回転センサ２６、磁性体２８、パワー部２３という順に軸方向に配置させることも可能であることは言うまでもない。

　図１１は、本発明の実施の形態１および実施の形態２の回転電機１００の説明図であり、パワー部２３を流れる電流５０が生成する磁界５１をシールドすることを示す模式図である。図１１に示すように、パワー部２３を流れる電流５０が生成する磁界５１は、磁性体２８（実施の形態２においては、軸受６の外輪６ｄ。）によってシールドすることが可能である。磁性体２８（外輪６ｄ）によって磁界５１の影響を低減した領域に回転センサ２６を配置することで、回転センサ２６の検出値への磁界５１の影響を低減させることが可能である。
　なお、磁性体２８（外輪６ｄ）は環状であることを例示していたが、図１１では、磁性体２８の配置による磁界５１の変化を説明するため、回転センサ２６の近傍にのみ磁性体２８を配設したモデルを用いて説明している。
　パワー部２３を流れる電流の大きさ、回転センサ２６と磁性体２８（外輪６ｄ）の距離、磁性体２８（外輪６ｄ）とパワー部２３の距離、センサマグネット２７が回転センサ２６の位置で生成する磁界５１の強度などによって影響度は異なるが、磁性体２８（外輪６ｄ）の大きさを調整することによって回転電機１００の回転角に要求される精度に収めることが可能となる。

　また、実施の形態１、実施の形態２においては、一つの回転電機１００に、回転センサ２６を一つ配設する場合について説明をした。しかし、回転電機１００のケース２１内に十分なスペースがある場合においては、この回転センサ２６を複数個配置させることも可能であり、一つの回転センサ２６に異常が見られる場合に、他の回転センサ２６に回路を切り替える構成とすることができる。

　なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。　

Claims

　回転電機の出力軸、
　上記出力軸を取り囲む上記回転電機のケース内に固定された磁性体、
　上記出力軸に固定され、上記出力軸の回転角度を検出するための磁界を発生させるセンサマグネット、
　上記回転電機のケース内に固定され、上記出力軸の軸方向において、上記磁性体と上記センサマグネットとの間に配置され、回転角検出用の上記磁界の強度に応じて信号を出力する回転センサを備え、
　上記センサマグネットは、上記出力軸を中心とした周方向にＳ極、Ｎ極が着磁され、
　上記回転センサは、上記磁界の磁束密度の、上記出力軸を中心とした径方向成分と周方向成分の振幅比をｋとしたとき、振幅比ｋで表現されるｎ次（ｎは偶数）の角度誤差ｆｎ（ｋ）が、要求される回転角検出精度Ｅを満たす領域に配置されることを特徴とする回転電機。
　上記回転センサは、上記出力軸の軸方向において、上記センサマグネットからの距離が、回転角検出用の上記磁界の強度に応じて決められた領域内に配置されることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
　上記磁性体は、平面形状が環状であり、上記出力軸と同軸に、上記出力軸の外周から離間して配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の回転電機。
　上記センサマグネットは、平面形状が環状であり、上記出力軸の外周に内接し、径方向に広がって配置され、
　上記回転センサは、上記センサマグネットを軸方向に投影した範囲内に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の回転電機。
　上記センサマグネットは、平面形状が環状であり、上記出力軸の外周に内接し、径方向に広がって配置され、
　上記回転センサは、上記センサマグネットを軸方向に投影した範囲よりも外側に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の回転電機。
　上記出力軸は軸受によって保持され、上記軸受は上記出力軸と一体となり回転する内輪と、回転しない外輪とを備え、上記外輪を上記磁性体として用いたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の回転電機。
　上記出力軸は軸受によって保持され、
　上記磁性体は上記軸受と上記回転センサとの間に配置され、上記磁性体の外径は、上記軸受の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の回転電機。
　上記回転センサは、上記磁性体の外径よりも内側に配置されたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の回転電機。
　上記磁性体は、上記回転センサを装着するセンサ基板と上記ケースの内壁面に当接することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の回転電機。
　上記出力軸の軸上に、上記回転電機のモータを構成するステータおよびロータを覆うためのフレームを備え、上記出力軸の軸方向において、上記センサマグネットと上記フレームとの間に上記回転電機を制御する制御基板が配置されたことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の回転電機。
　上記回転電機に電圧を印加するためのパワー部を備え、
　上記磁性体、上記回転センサ、上記センサマグネット、上記パワー部の順に軸方向に配置されたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の回転電機。
　上記回転電機に電圧を印加するためのパワー部を備え、
　上記センサマグネット、上記回転センサ、上記磁性体、上記パワー部の順に軸方向に配置されたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項記載の回転電機。
　電動パワーステアリング装置の構成要素として用いられたことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項記載の回転電機。