JP6779333B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本願は、回転角度検出装置に関するものである。

回転角度検出装置として、回転子と固定子のギャップパーミアンスの変化による磁束変化を検出することで、回転角度を検出する技術が一般的に知られている。例えば、周方向に沿って径が変化する回転子の外周面に対し、複数の磁気抵抗素子を周方向に沿って配置した固定子を対向配置し、磁気抵抗の変化から回転角度を検出する磁気センサが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−３２９８８８号公報（段落０００２〜０００３、図３〜図５、段落００１４〜００２０、図１〜図２）

しかしながら、上述した磁気センサでは、磁気検出用の素子を電気角１８０度以上の範囲に配置する必要があり、小型化が困難であるとともに、精度の高い信号成分を得ることが困難であった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、小型で正確な回転角度検出装置を得ることを目的とする。

本願に開示される回転角度検出装置は、回転軸を中心に回転自在に支持され、外周面の径が周期的にＮ回変化する磁性体の凹凸部を有する回転子、前記回転子の前記外周面に間隔をあけて対向し、前記凹凸部との間に磁界を発生させる磁界発生部と、周方向に沿って、機械角において１８０度をＮで除した値未満、かつ電気角において１８０度未満の範囲に配置され、前記発生させた磁界を検出する３つ以上の磁気検出素子で構成された素子群と、を有する固定子、前記素子群のそれぞれの素子からの検出信号に基づき、前記回転子の回転角度を演算する回転角度演算処理部、および、前記素子群における前記磁気検出素子の数である素子数に応じて、前記素子群のうちの一部の素子を選択し、選択した素子からの検出信号を正負反転させる正負反転機構、を備えたことを特徴とする。

本願に開示される回転角度検出装置によれば、磁気検出素子を電気角半周期未満の範囲内に配置することにより、小型で正確な回転角度検出装置を得ることができる。

実施の形態１にかかる回転角度検出装置の全体構成を示す模式図である。 実施の形態１にかかる回転角度検出装置の部分拡大模式図である。 実施の形態１にかかる回転角度検出装置の回転角度演算処理部の構成を説明するための機能ブロック図である。 実施の形態１にかかる回転角度検出装置において、３つの磁気検出素子から出力される磁束密度波形を示す図である。 実施の形態１にかかる回転角度検出装置において、３つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正後に、１つの磁気検出素子の波形を正負反転処理した磁束密度波形を示す図である。 実施の形態１にかかる回転角度検出装置において、３つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正後に、２つの磁気検出素子の波形を正負反転処理した磁束密度波形を示す図である。 実施の形態１の第１変形例にかかる回転角度検出装置として、５つの磁気検出素子を設けた際の部分拡大模式図である。 実施の形態１の第１変形例にかかる回転角度検出装置において、５つの磁気検出素子から出力される磁束密度波形を示す図である。 実施の形態１の第１変形例にかかる回転角度検出装置において、５つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正後に、一部の磁気検出素子の波形を正負反転処理した磁束密度波形を示す図である。 実施の形態１の第２変形例にかかる回転角度検出装置として、７つの磁気検出素子を設けた際の部分拡大模式図である。 実施の形態１の第２変形例にかかる回転角度検出装置において、７つの磁気検出素子から出力される磁束密度波形を示す図である。 実施の形態１の第２変形例にかかる回転角度検出装置において、７つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正後に、一部の磁気検出素子の波形を正負反転処理した磁束密度波形を示す図である。 本実施の形態１にかかる回転角度検出装置の回転角度の演算処理を実行する部分の構成例を示すブロック図である。 実施の形態２にかかる回転角度検出装置の部分拡大模式図である。 実施の形態２にかかる回転角度検出装置において、３つの磁気検出素子から出力される磁束密度波形を示す図である。 実施の形態２にかかる回転角度検出装置において、３つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正理した磁束密度波形を示す図である。 実施の形態３にかかる回転角度検出装置の部分拡大模式図である。 実施の形態３の変形例にかかる回転角度検出装置の部分拡大模式図である。 図１９Ａと図１９Ｂは、それぞれ実施の形態４にかかる回転角度検出装置の固定子の軸方向に垂直な断面図と固定子の回転子への対向面側の側面図である。 実施の形態４にかかる回転角度検出装置において、４つの磁気検出素子から出力される磁束密度波形を示す図である。 実施の形態４にかかる回転角度検出装置において、４つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正した磁束密度波形を示す図である。

実施の形態１．
図１〜図６は、実施の形態１にかかる回転角度検出装置の構成および動作について説明するためのものであり、図１は回転角度検出装置の全体構成として、回転子と固定子の軸方向に垂直な面方向における位置関係を示す断面形状と回転角度演算処理部との信号のつながりを示す模式図であり、図２は図１における回転角度検出装置の回転子と固定子が対向している部分近傍の拡大模式図であり、図３は回転角度演算処理部の構成を説明するための機能ブロック図である。

そして、図４は固定子に３つの磁気検出素子を配置した際の、それぞれの磁気検出素子から回転角度演算処理部に出力される磁束密度波形を示す図、図５は図４で示す３つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正部で直流オフセット補正後に、正負反転部により、周方向で中央に位置する磁気検出素子の波形を正負反転処理した磁束密度波形を示す図である。一方、図６は、図４で示す３つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正後に、正負反転部により、周方向で両端に位置する磁気検出素子の波形を正負反転処理した磁束密度波形を示す図である。

以下、図に基づいて説明する。
回転角度検出装置は、例えば、回転電機のシャフト等に直結され、回転電機の回転角度、あるいは回転数等を検出し、回転制御、計測等に用いるものである。実施の形態１にかかる回転角度検出装置１は、図１に示すように、機械的な構成として回転軸Ｘｒを中心に回転する回転子１０と、回転子１０の外周面１０ｆｏに対向配置された固定子２０とを備えている。そして、演算処理を行う構成として、固定子２０の複数の磁気検出素子２２のそれぞれから出力された信号を処理して、回転角度を演算する回転角度演算処理部３０を備えている。

回転子１０は、図示しない回転電機のシャフト等に直結され、回転電機と連動して、回転軸Ｘｒを中心に回転するように設けられる。そして、外周面１０ｆｏ側には、周方向に沿って外径が周期的に変化する、磁性体の凹凸部１２を備えている。凹凸部１２は、Ｎを１以上の整数とした場合に、周方向に沿って、機械角３６０度に対してＮ周期変化するよう、つまりＮ個の凹凸（凹部１２ｔと凸部１２ｐ）で形成される。一般的には、Ｎ（凹凸数と称する）は回転電機の磁極対の数の倍数に設定されるが、本例では、Ｎ＝１２に設定した凹凸部１２を示している。また、本例では、径は正弦波を描くように変化する。

固定子２０は、回転子１０の凹凸部１２部分の外周面１０ｆｏに対向して配置され、凹凸部１２との間で磁界を発生させる磁界発生部２１と、複数の磁気検出素子２２と、磁性体の背面部２３を有している。磁気検出素子２２のそれぞれは、回転軸Ｘｒからの距離が同じで、回転子１０の凹凸部１２部分の外周面１０ｆｏに対向するよう、周方向に沿って等間隔に離間配置されている。これにより、複数の磁気検出素子２２のそれぞれと、凹凸状の回転子１０の外周面１０ｆｏとの間隔が、回転子１０の回転に伴い、周期的に変化する。磁界発生部２１は、磁気検出素子２２に対して径方向の外側に位置し、周方向において磁気検出素子２２の配置範囲を網羅するように、回転軸Ｘｒから一定の距離を保って延びている。

背面部２３は、磁界発生部２１に対して径方向の外側を覆う部分が、磁界発生部２１の周方向における両端面を覆う部分と連なるよう、磁性体によって形成される。磁気検出素子２２と磁界発生部２１のみでも検知可能であるが、磁性体の背面部２３を配置することで、磁気検出素子２２のそれぞれの出力信号から得られる磁束密度波形の振幅を大きくすることができる。これにより、アナログ信号からデジタル信号に変換する際の量子化誤差を小さくすることが可能となり、検出精度が向上する。

つぎに、磁気検出素子２２の配置について説明する。周方向に沿って均等配置する箇所の数（配置箇所数Ｌ）は、磁気検出素子２２の素子数ｎが３以上の奇数の場合、Ｌ＝ｎとなる。そして、周方向における、各磁気検出素子２２が配置された範囲の角度θｇは、機械角１８０度を凹凸部１２の凹凸数Ｎで除した１８０／Ｎ未満に設定する。磁気検出素子２２を電気角半周期の範囲より狭い範囲に配置することにより、固定子２０の磁界発生部２１と背面部２３の周方向における設置範囲を小さくすることができ、装置の小型化が可能となる。図１では、凹凸数Ｎ＝１２の場合であるため、磁気検出素子２２の配置範囲の角度θｇは、機械角１５度未満となる。

例えば、特許文献１のように、各素子からの波形のピークを単純に検出して角度を演算する場合、多相信号を２相信号に変換する処理において、磁気検出素子は周方向に機械角３６０／Ｎ度の範囲に配置する必要があった。本願では、後述するように、複数の磁気検出素子２２のうち、例えば、素子数ｎが奇数の場合は、周方向に沿った順番で偶数番目の信号のみ、あるいは奇数番目の信号のみ、というように、一つおきに、信号の正負を反転処理するように構成した。なお、素子数ｎが偶数の場合については、実施の形態４で説明する。

このように、磁気検出素子２２からの信号のうち、規則的に抽出した一部の信号の反転処理により、機械角１８０／Ｎ度未満の範囲に磁気検出素子２２を配置した場合でも、機械角３６０／Ｎ度の範囲に素子を配置したのと同様の信号を取得することが可能となる。したがって、複数の磁気検出素子２２を機械角１８０／Ｎ度未満の範囲に配置した場合でも、多相信号を２相信号に変換して、精度の高い回転角度位置の検出を行うことができる。

とくに、本実施の形態においては、図２に示すように、周方向で隣接する磁気検出素子２２間の間隔（角度θｓ）が、機械角１８０／（Ｎ×Ｌ）度になるように配置した。これにより、それぞれの磁気検出素子２２からは、電気角１８０／Ｌ度ずつ位相がずれた、ａ相（＝ｎ）の信号が得られる。

ここで、磁気検出素子２２を機械角１８０／（Ｎ×Ｌ）度間隔で配置する場合、周方向における一端側の磁気検出素子２２から他端側の磁気検出素子２２までの間隔（角度θｇ）は、機械角１８０×（Ｌ−１）／（Ｎ×Ｌ）度となる。そして、磁気検出素子２２の配置箇所数Ｌが増加していくほど、磁気検出素子２２が配置される範囲の機械角は１８０／Ｎ度に漸近していく。一方、電気角の範囲については、配置箇所数Ｌを１０、２０、３０…と増加させると、１６２度、１７１度、１７４度、・・・と、１８０度に近づいていくが、１８０未満（半周未満）の範囲に収まる。

例えば、本例のように、配置箇所数Ｌ＝３の場合、隣り合う磁気検出素子２２間の間隔θｓは６０／Ｎ度で、磁気検出素子２２_Ｕから磁気検出素子２２_Ｗまでの角度θｇは１２０／Ｎ度となる。よって、磁気検出素子２２は機械角１８０／Ｎ度未満の範囲に配置される。これは、磁気検出素子２２を電気角半周期未満の範囲内で、等間隔配置することになり、固定子２０の磁界発生部２１と背面部２３の周方向における占有範囲も狭くすることができ、装置の小型化が可能となる。

上述した機械的な構成を前提として、演算処理を実行する回転角度演算処理部３０の構成と動作について説明する。回転角度演算処理部３０は、図３に示すように、各磁気検出素子２２から受信した信号の直流オフセット値を算出する直流オフセット算出部３１から回転角度を算出する角度算出部３５に至る、主に５つのブロックで構成している。

直流オフセット算出部３１は、複数の磁気検出素子２２のそれぞれから受信した検出信号の直流成分に対する基準値からシフト量を算出し、直流オフセット値を求める。直流オフセット値は各波形の電気角１周期分の平均化処理によって算出する。なお、オフセット値は、平均化処理に限ることはなく、例えば、それぞれの波形に関して波形の最大値と最小値から基準値からのシフト量を算出して、直流オフセット値を求めることも可能であり、適宜変更可能である。

直流オフセット補正部３２では、直流オフセット算出部３１で算出した磁気検出素子２２ごとのオフセット値を用い、ｎ個の磁気検出素子２２のそれぞれの検出信号からオフセット値を減じたオフセット処理を行う。

正負反転部３３では、直流オフセット補正部３２でオフセット処理をした各磁気検出素子２２由来の信号のうち、周方向での並び順で一つおきの磁気検出素子２２の信号の正負を反転させる。つまり、並び順で、反転処理する対象と反転処理しない対象が交互になるようにする。例えば、図２における、周方向に並んだ３個の磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｖ、２２_Ｗのうち、偶数番目にあたる中央の磁気検出素子２２_Ｖ由来の信号の正負を反転させる。

例えば、図２のように、周方向に並んだ３個の磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｖ、２２_Ｗのそれぞれからは、図４に示すように、電気角（横軸）で、６０度（＝１８０／Ｌ）ずつ位相がずれた３相の正弦波波形Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｖ、Ｐ_Ｗ（まとめて、検出波形と称する）が得られる。しかし、この検出波形の波形群では、磁束密度（縦軸）のピークの、横軸における位置が、電気角３６０度のうちの半分未満の範囲に偏って顕れる。

それに対し、この３相の正弦波波形Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｖ、Ｐ_Ｗのそれぞれをオフセット処理し、そのうち、偶数番目にあたる中央の磁気検出素子２２Ｖ由来の信号の正負を反転させると、図５に示すように、電気角で、１２０度ずつ位相がずれた３相の正弦波波形Ｐｐ_Ｕ、Ｐｐ_Ｗ、Ｐｐ_Ｖ（まとめて処理波形と称する）が得られる。つまり、電気角３６０度内で均等に位相がずれ、ピーク位置、あるいはゼロクロス点が等間隔で顕れる素子数ｎに対応する相数ａの処理波形の波形群を得ることができる。

この後、ａ相−２相変換部３４では、３個の処理波形をａ相―２相変換である３相−２相変換して位相が９０度異なるＳＩＮとＣＯＳの符号を付さない２相信号を求める。ａ相−２相変換をすることで、同相成分である検出信号の３次成分を除去することができ、検出精度を向上させることができる。そのあと、角度算出部３５では、変換された２相信号の正接逆関数を演算して回転角度を算出する。

なお、正負反転処理において、処理対象を偶数番目にした場合に限らず、奇数番目にした場合でも同様の結果を得ることができる。例えば、図２における、周方向に並んだ３個の磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｖ、２２_Ｗのうち、奇数番目にあたる両端の磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｗ由来の信号の正負を反転させてもよい。その場合も、図６に示すように、電気角で、１２０度ずつ位相がずれた３相の正弦波波形Ｐｐ_Ｖ、Ｐｐ_Ｕ、Ｐｐ_Ｗが得られる。この後、得られた３つの処理波形に対して、３相−２相変換をすることで、同相成分である検出信号の３次成分を除去することができ、検出精度を向上させることができる。

変形例１．
上記例では、磁気検出素子を３つ配置した例について説明したが、これに限ることはなく、３つ以上であればよい。本変形例１（第一変形例）においては、磁気検出素子を５つ配置した例について説明する。図７〜図９は第一変形例にかかる回転角度検出装置の構成および動作について説明するためのものであり、図７は回転角度検出装置の回転子と固定子が対向している部分近傍（図２に対応）の拡大模式図であり、図８は固定子に５つの磁気検出素子を配置した際の、それぞれの磁気検出素子から回転角度演算処理部に出力される磁束密度波形を示す図（図４に対応）、図９は５つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正部で直流オフセット補正後に、正負反転部により、偶数番目に位置する２つの磁気検出素子の波形を正負反転処理した磁束密度波形を示す図（図５に対応）である。

本変形例１においては、図７に示すように、素子数ｎ＝５として、５つの磁気検出素子２２_Ａ、２２_Ｂ、２２_Ｃ、２２_Ｄ、２２_Ｅを周方向に均等配置（配置箇所数Ｌ＝５）した。素子数ｎ＝５の場合においても、Ｌ＝ｎとして、磁気検出素子２２を機械角１８０／（Ｎ×Ｌ）度の等間隔で配置している。その場合、各磁気検出素子２２から出力される信号は、電気角１４４度（＜１８０度）の範囲で、３６度間隔となる。また、Ｎ＝１２の場合、θｓが３度となり、θｇは１２度となる。

このような構成の場合、５つの磁気検出素子２２_Ａ、２２_Ｂ、２２_Ｃ、２２_Ｄ、２２_Ｅのそれぞれからは、図８に示すように、電気角（横軸）で、３６度（＝１８０／Ｌ）ずつ位相がずれた５相の正弦波波形Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃ、Ｐ_Ｄ、Ｐ_Ｅからなる検出波形が得られる。この場合も、磁束密度（縦軸）のピークの横軸における位置は、電気角３６０度のうちの半分未満の範囲に偏って顕れる。

それに対し、この５相の正弦波波形Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃ、Ｐ_Ｄ、Ｐ_Ｅのそれぞれをオフセット処理し、そのうち、偶数番目にあたる磁気検出素子２２_Ｂ、２２_Ｄ由来の信号の正負を反転させると、図９に示すように、電気角で、７２度ずつ位相がずれた５相の正弦波波形Ｐｐ_Ａ、Ｐｐ_Ｃ、Ｐｐ_Ｅ、Ｐｐ_Ｂ、Ｐｐ_Ｄが得られる。つまり、電気角３６０度内で均等に位相がずれ、ピーク位置、あるいはゼロクロス点が等間隔で顕れる処理波形による波形群を得ることができる。

この後、ａ相−２相変換部３４では、５個の処理波形をａ相―２相変換として、５相−２相変換し、２相信号に正接逆関数を計算することで回転角度位置を検出することが可能となる。ａ相−２相変換をすることで、同相成分である検出信号の５次成分を除去することができ、検出精度を向上させることができる。

なお、正負の反転は、磁気検出素子２２の並び順に、交互に行えばよく、本変形例１においては、奇数番目にあたる磁気検出素子２２_Ａ、２２_Ｃ、２２_Ｅ由来の信号の正負を反転させてもよい。

また、演算処理によらず、磁気検出素子２２で検出する磁束の方向が規則的に反転するように磁気検出素子２２を設置してもよい。例えば、本変形例において、磁気検出素子２２_Ｂと２２_Ｄは、径方向内側向きの磁束を正として検出し、磁気検出素子２２_Ａと２２_Ｃと２２_Ｅは、径方向外側向きの磁束を正として検出するように、極性の異なるものを、あるいは検出面の向きを変えて設置する。

このように構成すれば、図３における正負反転部３３を省略しても、直流オフセット補正処理をするだけで、図９と同様に、電気角が７２度ずつずれた５相の処理波形を得ることが可能である。また、磁気検出素子２２_Ａと２２_Ｃと２２_Ｅを、径方向内側向きの磁束を正として検出し、磁気検出素子２２_Ｂと２２_Ｄを、径方向外側向きの磁束を正として検出するように構成した場合も同様に回転角度位置を検出することが可能である。

変形例２．
変形例１では、磁気検出素子を５つ配置した例について説明したが、本変形例２（第二変形例）においては、磁気検出素子を７つ配置した例について説明する。図１０〜図１２は第二変形例にかかる回転角度検出装置の構成および動作について説明するためのものであり、図１０は回転角度検出装置の回転子と固定子が対向している部分近傍（図２に対応）の拡大模式図であり、図１１は固定子に７つの磁気検出素子を配置した際の、それぞれの磁気検出素子から回転角度演算処理部に出力される磁束密度波形を示す図（図４に対応）、図１２は７つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正部で直流オフセット補正後に、正負反転部により、偶数番目に位置する３つの磁気検出素子の波形を正負反転処理した磁束密度波形を示す図（図５に対応）である。

本変形例２においては、図１０に示すように、７つの磁気検出素子２２_Ａ、２２_Ｂ、２２_Ｃ、２２_Ｄ、２２_Ｅ、２２_Ｆ、２２_Ｇを周方向に均等配置（配置箇所数Ｌ＝７）した。素子数ｎ＝７の場合においても、Ｌ＝ｎとして、磁気検出素子２２を機械角１８０／（Ｎ×Ｌ）度の等間隔で配置している。その場合、各磁気検出素子２２から出力される信号は、電気角１５４度（＜１８０度）の範囲で、１８０／７度（＝１８０／Ｌ）間隔となる。また、Ｎ＝１２の場合、θｓが２．１度となり、θｇは１２．９度となる。

このような構成の場合、７つの磁気検出素子２２_Ａ〜２２_Ｇのそれぞれからは、図１１に示すように、電気角（横軸）が１８０／７度ずつ位相がずれた７相の正弦波波形Ｐ_Ａ〜Ｐ_Ｇからなる検出波形が得られる。この場合も、磁束密度（縦軸）のピークの横軸における位置は、電気角３６０度のうちの半分未満の範囲に偏って顕れる。

それに対し、この７相の正弦波波形Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃ、Ｐ_Ｄ、Ｐ_Ｅ、Ｐ_Ｆ、Ｐ_Ｇのそれぞれをオフセット処理し、そのうち、偶数番目にあたる磁気検出素子２２_Ｂ、２２_Ｄ、２２_Ｆ由来の３つの信号の正負を反転させると、図１２に示すように、電気角が３６０／７度ずつ位相がずれた７相の正弦波波形Ｐｐ_Ａ、Ｐｐ_Ｃ、Ｐｐ_Ｅ、Ｐｐ_Ｇ、Ｐｐ_Ｂ、Ｐｐ_Ｄ、Ｐｐ_Ｆからなる処理波形が得られる。つまり、電気角３６０度内で均等に位相がずれ、ピーク位置、あるいはゼロクロス点が等間隔で顕れる波形群を得ることができる。

この後、ａ相−２相変換部３４では、７相分の処理波形をａ相―２相変換として、７相−２相変換し、２相信号に正接逆関数を計算することで回転角度位置を検出することが可能となる。ａ相−２相変換をすることで、同相成分である検出信号の７次成分を除去することができ、検出精度を向上させることができる。

ここで、背景技術で示したような、複数個の素子の設置範囲を電気角１８０〜３６０度まで広げた場合、機械的構成としての小型化には不利である。その一方、対象の選別と正負反転処理の省略による演算処理の構成を簡略化、あるいは、正負検出方向の交互逆転設定といった煩雑さを不要化できるとの見方もできる。しかし、電気角１８０°以上の範囲に配置した素子から得られた信号を用いた場合、特定の次数成分の除去ができなくなり２相変換時の振幅も異なるため、検出精度が悪化することがわかった。つまり、本願のように、磁気検出素子２２の設置範囲を電気角１８０°未満にし、周方向の並び順において一つおきに、信号を正負反転処理するように構成することで、装置の小型化だけでなく、検出精度の向上という効果を奏することも可能となる。

上述した、磁気検出素子２２を機械角１８０／（Ｎ×Ｌ）度に配置して、一つおきに正負反転処理を行う回転角度検出装置１は、素子数ｎが、３、５、７に限らず、それ以外の奇数個でも適応可能である。なお、配置数を４以上の偶数とした場合については、実施の形態４で説明する。

なお、本願の各実施の形態にかかる回転角度検出装置１において、回転角度演算処理部３０については、例えば、図１３に示すように、プロセッサ３０１と記憶装置３０２を備えたハードウェア３００として、表記することができる。記憶装置３０２は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ３０１は、記憶装置３０２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ３０１にプログラムが入力される。また、プロセッサ３０１は、演算結果等のデータを記憶装置３０２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

実施の形態２．
実施の形態１においては、磁気検出素子からの信号を、周方向の並び順で、一つおきに反転処理、あるいは、正負逆方向に検知するように構成した例について説明したが、これに限ることはない。本実施の形態２と実施の形態３においては、周方向の並び順において、一つおきの磁気検出素子から正負が反転した信号が出力されるように構成した例について説明する。

図１４〜図１６は実施の形態２にかかる回転角度検出装置の構成および動作について説明するためのものであり、図１４は回転角度検出装置の回転子と固定子が対向している部分近傍（図２に対応）の拡大模式図であり、図１５は固定子に極性の異なる３つの磁石を並べた磁極発生部のそれぞれに磁気検出素子を配置した際の、それぞれの磁気検出素子から回転角度演算処理部に出力される磁束密度波形を示す図（図４に対応）、図１６は３つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正部で直流オフセット補正処理した磁束密度波形を示す図（図５に対応）である。回転角度演算処理部については、実施の形態１で用いた図３を援用して説明する。

実施の形態２にかかる回転角度検出装置１は、図１４に示すように、磁界発生部２１が３個の磁石２１ｐ、２１ｎ、２１ｐで構成され、隣接する磁石（２１ｐと２１ｎ）で配向が反対になるように構成した。回転角度演算処理部３０については、図３における正負反転部３３を省略したこと以外は、実施の形態１で説明した構成と同様である。

素子数ｎ＝３の場合であり、周方向において離間する配置箇所数Ｌ＝ｎとして、磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｖ、２２_Ｗは、周方向において、機械角１８０／（Ｎ×Ｌ）度の間隔で、それぞれ３個の磁石２１ｐ、２１ｎ、２１ｐの径方向内側に配置される。中央の磁気検出素子２２_Ｖが配置された磁石２１ｎに対して、両端の磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｗが配置された磁石２１ｐの配向が反対であるため、磁気検出素子２２_Ｖで検出する磁束の方向は、磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｗで検出する磁束の方向と反対となる。

そのため、図１５に示すように、磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｗで検出する正弦波波形Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｗと、磁気検出素子２２_Ｖで検出する磁束密度の正弦波波形Ｐ_Ｖの正負は異なっている。そのため、正弦波波形Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｖ、Ｐ_Ｗは、実際は、電気角６０度（１８０／Ｌ）ずつ位相がずれているが、実施の形態１の正負反転処理後のように、Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｗ、Ｐ_Ｖの順で、１２０度ずつ電気角での位相がずれたように顕れる。

得られた正弦波波形Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｗ、Ｐ_Ｖをそれぞれオフセット処理する。すると、図１６に示すように、磁気検出素子２２が電気角６０度（１８０／Ｌ）間隔で配置された場合でも、隣接する磁石の配向を反対にすることで、電気角１２０度ずつ位相がずれた３相の処理波形を得ることができる。そして、得られた３相の処理波形を３相−２相変換することで、同相成分である検出信号の３次成分を除去することができ、検出精度を向上させることができる。また、装置の小型化も可能である。

なお、本実施の形態２においては、説明を簡略化するため、素子数ｎが３の場合について説明したが、これに限ることはなく、３以上の奇数であればよい。これについては、つぎの実施の形態３も同様である。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、配向の異なる磁石を配置することで、正負を反転させる例について説明した。本実施の形態３においては、磁石を間欠配置することで、正負を反転させる例について説明する。図１７は、実施の形態３にかかる回転角度検出装置の回転子と固定子が対向している部分近傍（図２に対応）の拡大模式図である。また、図１８は、変形例にかかる回転角度検出装置の回転子と固定子が対向している部分近傍（図２に対応）の拡大模式図である。回転角度演算部、正弦波波形、および処理波形については、実施の形態２で説明したのと同様である。

本実施の形態３にかかる回転角度検出装置１は、図１７に示すように、背面部２３の周方向における中間部分に、固定子２０の内周面２０ｆｉに向けて突出する突出部２３ｐを設けた。そして、磁界発生部２１を構成する同じ配向の２個の磁石を、背面部２３の突出部２３ｐを周方向で挟むようにした。そして、周方向において、機械角１８０／（Ｎ×Ｌ）度の間隔で、内周面２０ｆｉに沿って配置された磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｖ、２２_Ｗのうち、２２_Ｕと２２_Ｗは、それぞれ両端の磁界発生部２１上に位置し、２２_Ｖは背面部２３の突出部２３ｐ上に位置するようにした。

このように構成することで、背面部２３上に位置する磁気検出素子２２_Ｖで検出する磁束の方向は、磁界発生部２１上に位置する磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｗで検出する磁束の方向と反対となる。そのため、実施の形態２の図１５で説明したように、磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｗで検出する正弦波波形Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｗと、磁気検出素子２２_Ｖで検出する磁束密度の正弦波波形Ｐ_Ｖの正負は異なっている。また、正弦波波形Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｗ、Ｐ_Ｖは、それぞれ、電気角６０度（１８０／Ｌ）ずつ位相がずれている。

得られた正弦波波形Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｗ、Ｐ_Ｖをそれぞれオフセット処理する。すると、実施の形態２の図１５で説明したように、磁気検出素子２２が電気角６０度（１８０／Ｌ）間隔で配置された場合でも、隣接する磁石の配向を反対にすることで、電気角１２０度ずつ位相がずれた３相の処理波形を得ることができる。そして、得られた３相の処理波形を３相−２相変換することで、同相成分である検出信号の３次成分を除去することができ、検出精度を向上させることができる。また、装置の小型化も可能である。

変形例．
上記実施の形態３では、周方向で偶数番目に配置される磁気検出素子に対し、磁石の代わりに磁性体の突出部を配置した例について説明したが、これに限ることはない。本変形例では、奇数番目に配置される磁気検出素子に対し、磁石の代わりに磁性体の突出部を配置した例について説明する。

本変形例にかかる回転角度検出装置１は、図１８に示すように、背面部２３の周方向における両端に、固定子２０の内周面２０ｆｉに向けて突出する突出部２３ｐを設けた。そして、磁界発生部２１を構成する磁石を、周方向において２つの突出部２３ｐに挟まれるようにした。そして、周方向において、機械角１８０／（Ｎ×Ｌ）度の間隔で、内周面２０ｆｉに沿って配置された磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｖ、２２_Ｗのうち、２２_Ｕと２２_Ｗは、それぞれ両端の背面部２３の突出部２３ｐ上に位置し、２２_Ｖは磁界発生部２１を構成する磁石上に位置するようにした。

このように構成することで、磁界発生部２１上に位置する磁気検出素子２２_Ｖで検出する磁束の方向は、背面部２３上に位置する磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｗで検出する磁束の方向と反対となる。そのため、実施の形態２の図１５で説明したように、磁気検出素子２２_Ｕ、２２_Ｗで検出する正弦波波形Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｗと、磁気検出素子２２_Ｖで検出する磁束密度の正弦波波形Ｐ_Ｖの正負は異なっている。また、正弦波波形Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｗ、Ｐ_Ｖは、それぞれ、電気角６０度（１８０／Ｌ）ずつ位相がずれている。

得られた正弦波波形Ｐ_Ｕ、Ｐ_Ｗ、Ｐ_Ｖをそれぞれオフセット処理する。すると、実施の形態２の図１５で説明したように、磁気検出素子２２が電気角６０度（１８０／Ｌ）間隔で配置された場合でも、隣接する磁石の配向を反対にすることで、電気角１２０度ずつ位相がずれた３相の処理波形を得ることができる。そして、得られた３相の処理波形を３相−２相変換することで、同相成分である検出信号の３次成分を除去することができ、検出精度を向上させることができる。また、装置の小型化も可能である。

実施の形態４．
上記実施の形態１〜３においては、素子数が奇数の場合の例について説明した。本実施の形態４においては、素子数が偶数の場合の配置と正負反転処理対象の選択について説明する。図１９〜図２１は実施の形態４にかかる回転角度検出装置の構成および動作について説明するためのものである。図１９は回転角度検出装置の回転子の構成を示す図であり、図１９Ａは固定子の軸方向に垂直な断面を示す断面図、図１９Ｂは固定子の回転子への対向面、つまり内周面側の側面図である。また、図２０は固定子の周方向に２か所、それぞれ２つの磁気検出素子を配置した際の、それぞれの磁気検出素子から回転角度演算処理部に出力される磁束密度波形を示す図（図４に対応）、図２１は４つの磁気検出素子からの磁束密度波形を直流オフセット補正部で直流オフセット補正処理した磁束密度波形を示す図（図５に対応）である。回転子については、上述した各実施の形態で説明したのと同様である。また、回転角度演算処理部については、実施の形態１で用いた図３を援用して説明する。

実施の形態４にかかる回転角度検出装置１は、素子数ｎを４以上の偶数であるとしたときの磁気検出素子の配置例について、素子数ｎが４つの場合について説明する。固定子２０での、周方向における磁気検出素子の配置箇所数Ｌは、素子数ｎ（＝４）の半分である２とした。そして、図１９に示すように、周方向において離間して配置する配置箇所のそれぞれに、例えば、軸方向にずらした２つの磁気検出素子２２を配置し、同じ配置箇所内の磁気検出素子２２の一方の正負を反転するようにした。なお、同じ配置箇所内での配置は径方向にずらすようにしてもよく、検出感度の分解能内であれば周方向にずらしてもよい。

正負反転するための機構については、実施の形態１で説明した正負反転部３３による演算処理の外、実施の形態２、３で示した周方向における磁界発生部の配向、あるいは磁石の磁性体への入れ替え等を軸方向に置き換えたもの等、いずれの機構でも可能である。本例では、実施の形態１で応用例として触れた、２つの磁気検出素子２２で、正とする磁束の向きが異なるようにする構成について例示する。具体的には、例えば、図１９Ｂにおいて軸方向の上側に位置する磁気検出素子２２_Ａと２２_Ｃは、径方向内側向きの磁束を正として検出し、軸方向の下側に位置する磁気検出素子２２_Ｂと２２_Ｄは、径方向外側向きの磁束を正として検出するように構成する。

そして、配置箇所数Ｌ＝２として、周方向における各配置位置の間隔θｗは、機械角１８０／（Ｎ×Ｌ）とし、周方向で隣り合う配置位置間の電気角は１８０／Ｌ（＝９０度）となる。ただし、上述したように、同じ電気角の位置に２つの磁気検出素子２２が配置されているので、同じ電気角から正負が反転する２つの信号が得られることになる。

そのため、図２０に示すように、磁気検出素子２２の数と同様に、４つの正弦波波形が得られ、磁気検出素子２２_Ａ、２２_Ｃで検出する正弦波波形Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｃと、磁気検出素子２２_Ｂ、２２_Ｄで検出する磁束密度の正負は異なっている。また、正弦波波形Ｐ_ＡとＰ_Ｂは同じ電気角で正負が反転し、正弦波波形Ｐ_ＣとＰ_Ｄも同じ電気角で正負が反転している。そして、正弦波波形Ｐ_ＡとＰ_Ｂに対して、正弦波波形Ｐ_ＣとＰ_Ｄは、位相が電気角９０度（１８０／Ｌ）ずれている。

得られた正弦波波形Ｐ_Ａ〜Ｐ_Ｄをそれぞれオフセット処理する。すると、図２１に示すように、磁気検出素子２２が電気角９０度（＝１８０／Ｌ）間隔で、計１８０度の電気角以内に配置された場合でも、電気角９０度ずつ位相がずれた４相の正弦波波形Ｐｐ_Ａ、Ｐｐ_Ｃ、Ｐｐ_Ｂ、Ｐｐ_Ｄからなる処理波形を得ることができる。そして、得られた４相の処理波形を４相−２相変換することで、同相成分である検出信号の４次成分を除去することができ、検出精度を向上させることができる。また、装置の小型化も可能である。

なお、図示しないが、例えば、素子数ｎを６、８、１０、・・・個とすると、それぞれ、配置箇所数Ｌは３、４、５、・・・と素子数の２分の１に設定される。周方向に隣接する配置箇所間は、機械角θｗで、１８０／（Ｎ×Ｌ）度間隔で配置され、機械角θｇが１８０／Ｌ度未満の範囲に入る。その際、電気角（＝３６０／Ｌ）は６０度、４５度、３６度、・・・となり、電気角範囲として、それぞれ１２０度、１３５度、１４４度の範囲内に入る。なお、本例では、配置箇所が２か所のため、θｇ＝θｗとなっているが、θｇ＝θｗ×（Ｌ−１）の関係である。

つまり、素子数ｎが偶数の場合の配置箇所数Ｌは素子数の半分となり、素子数ｎが奇数の場合の配置箇所数Ｌは素子数ｎに一致させるように磁気検出素子２２を配置する。これにより、素子数ｎが奇数であっても、偶数であっても、機械角１８０／Ｎを配置箇所数Ｌで除した値の位置に磁気検出素子２２を配置すればよい。そして、奇数の場合、偶数の場合それぞれで、規則的に選択した磁気検出素子２２の信号が正負反転するような機構を設ければ、上述した効果を奏する本願の回転角度検出装置１を得ることができる。

さらに、本願は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、およ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。したがって、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、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

例えば、凹凸部１２の外径は、正弦波を描くように変化する例を示したが、これに限ることはなく、検知できるレベルの範囲において、回転に伴い径が一定の周期で変化するように構成されていればよく、例えば鋸刃状でもよい。

以上のように、各実施の形態にかかる回転角度検出装置１によれば、回転軸Ｘｒを中心に回転自在に支持され、外周面１０ｆｏの径が周期的にＮ回変化する磁性体の凹凸部１２を有する回転子１０、回転子１０の外周面１０ｆｏに間隔をあけて対向し、凹凸部１２との間に磁界を発生させる磁界発生部２１と、周方向に沿って、機械角において１８０度をＮで除した値未満の範囲に配置され、発生させた磁界を検出する３つ以上の磁気検出素子２２で構成された素子群と、を有する固定子２０、素子群からの検出信号に基づき、回転子１０の回転角度を演算する回転角度演算処理部３０、および、素子群を構成する素子（磁気検出素子２２）の数である素子数ｎに応じて、素子群のうちの一部の素子を選択し、選択した素子からの検出信号を正負反転させる正負反転機構、を備えるように構成したので、小型で回転角度を正確に検出できる回転角度検出装置１を得ることができる。

とくに、素子群の、周方向における配置位置の設定数（配置箇所数Ｌ）を２以上の整数とすると、周方向において隣り合う磁気検出素子２２間の回転軸Ｘｒを中心とする角度が、機械角においてＮと設定数（配置箇所数Ｌ）の積で１８０度を除した値（＝１８０／（Ｎ×Ｌ）に設定すれば、ピーク、あるいはゼロクロス点が等間隔に顕れ、より正確に回転角度を検出できる。

素子数ｎが奇数の場合、設定数（配置箇所数Ｌ）を素子数ｎに一致させ、配置位置のそれぞれに、素子群を構成する素子を一つずつ配置し、かつ、正負反転機構は、素子群を構成する素子（磁気検出素子２２）のうち、周方向における並び順において、一つおきの素子（例えば、偶数番目、または奇数番目）を反転処理対象である一部の素子として選択するように構成すれば、電気角３６０度内で位相が均等にずれた波形が得られ、より確実に正確な回転角度の検出が可能になる。

あるいは、素子数ｎが偶数の場合、設定数（配置箇所数Ｌ）を素子数ｎの２分の１とし、配置位置のそれぞれに、素子群を構成する素子（磁気検出素子２２）を２つずつ配置し、かつ、正負反転機構は、配置位置のそれぞれに配置された２つの素子のうちの一方を、反転処理対象である一部の素子として選択するように構成すれば、電気角３６０度内で位相が均等にずれた波形が得られ、より確実に正確な回転角度の検出が可能になる。

回転角度演算処理部３０には、素子群を構成するそれぞれの素子（磁気検出素子２２）から出力された検出信号の直流成分を基準値に基づいてそれぞれオフセット処理するオフセット処理部（直流オフセット算出部３１、直流オフセット補正部３２）、素子数ｎと同じ相数ａの信号が得られるとすると、オフセット処理されたそれぞれの信号（処理波形）からａ相−２相変換して２相信号を求めるａ相−２相変換部３４、および、２相信号の正接逆関数を演算して回転角度を検出する角度算出部３５、が設けられているので、磁気検出素子２２が検出した検出信号を確実に処理して、検出信号のａ次成分を除去し、検出精度を向上させることができる。

正負反転機構として、回転角度演算処理部３０には、選択した素子からの検出信号を演算により正負反転処理する正負反転部３３が設けられているように構成すれば、ソフト上で、正負反転処理を容易に行える。

正負反転機構として、また例えば、選択した素子の検出方向に対し、他の素子の検出方向を反転させて、素子群を構成する素子（磁気検出素子２２）を配置すれば、演算処理がなくとも、当初から選択した素子の正負を反転させた信号を得ることができる。

また例えば、磁界発生部２１は、３つ以上の磁気検出素子２２の外径側に配置した複数の磁石（２１ｎ、２１ｐ）で構成され、正負反転機構として、素子群を構成する素子（磁気検出素子２２）のうち、選択した素子の外径側に配置される磁石（例えば、２２ｐ）の配向に対し、他の素子の外径側に配置される磁石（例えば、２２ｎ）の配向が反転しているように構成した場合でも、演算処理がなくとも、当初から選択した素子の正負を反転させた信号を得ることができる。

固定子２０には、磁界発生部２１の外径側を覆う磁性体の背面部２３が設けられ、正負反転機構として、素子群を構成する素子（磁気検出素子２２）のうち、選択した素子には、磁界発生部２１を構成する磁石が配置され、他の素子の外径側には、外径側から内周面２０ｆｉ側に突出した背面部２３の突出部２３ｐが配置されているように構成した場合でも、演算処理がなくとも、当初から選択した素子の正負を反転させた信号を得ることができる。

１：回転角度検出装置、 １０：回転子、 １０ｆｏ：外周面、 １２：凹凸部、 ２０：固定子、 ２０ｆｉ：内周面、 ２１：磁界発生部（正負反転機構）、 ２１ｎ、２１ｐ：磁石（正負反転機構）、 ２２：磁気検出素子、 ２３：背面部、 ２３ｐ：突出部（正負反転機構）、 ３０：回転角度演算処理部、 ３１：直流オフセット算出部（オフセット処理部）、 ３２：直流オフセット補正部（オフセット処理部）、 ３３：正負反転部（正負反転機構）、 ３４：ａ相−２相変換部、 ａ：相数、 Ｌ：配置箇所数（配置位置の数）、 Ｎ：凹凸数、 ｎ：素子数（個数）、 Ｘｒ：回転軸。

Claims (9)

1. 回転軸を中心に回転自在に支持され、外周面の径が周期的にＮ回変化する磁性体の凹凸部を有する回転子、
   前記回転子の前記外周面に間隔をあけて対向し、前記凹凸部との間に磁界を発生させる磁界発生部と、周方向に沿って、機械角において１８０度をＮで除した値未満、かつ電気角において１８０度未満の範囲に配置され、前記発生させた磁界を検出する３つ以上の磁気検出素子で構成された素子群と、を有する固定子、
   前記素子群のそれぞれの素子からの検出信号に基づき、前記回転子の回転角度を演算する回転角度演算処理部、および、
   前記素子群における前記磁気検出素子の数である素子数に応じて、前記素子群のうちの一部の素子を選択し、選択した素子からの検出信号を正負反転させる正負反転機構、
   を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記素子群の、前記周方向における配置位置の設定数を２以上の整数とすると、
   周方向において隣り合う配置位置間の前記回転軸を中心とする角度が、機械角においてＮと設定数の積で１８０度を除した値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記素子数が奇数の場合、
   前記設定数を前記素子数に一致させ、前記配置位置のそれぞれに、前記素子群を構成する素子を1つずつ配置し、
   かつ、前記正負反転機構は、
   前記素子群を構成する素子のうち、周方向における並び順において、一つおきの素子を前記一部の素子として選択することを特徴とする請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記素子数が偶数の場合、
   前記設定数を前記素子数の２分の１とし、前記配置位置のそれぞれに、前記素子群を構成する素子を２つずつ配置し、
   かつ、前記正負反転機構は、
   前記配置位置のそれぞれに配置された２つの素子のうちの一方を、前記一部の素子として選択することを特徴とする請求項２に記載の回転角度検出装置。
5. 前記回転角度演算処理部には、
   前記素子群を構成する素子のそれぞれ出力された検出信号の直流成分を基準値に基づいてそれぞれオフセット処理するオフセット処理部、
   前記素子数と同じ相数ａの信号が得られるとすると、前記オフセット処理されたそれぞれの信号からａ相−２相変換して２相信号を求めるａ相−２相変換部、および、
   前記２相信号の正接逆関数を演算して回転角度を検出する角度算出部、
   が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
6. 前記正負反転機構として、
   前記回転角度演算処理部には、前記選択した素子からの検出信号を演算により正負反転処理する正負反転部が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
7. 前記正負反転機構として、
   前記選択した素子の検出方向に対し、他の素子の検出方向を反転させて、前記素子群を構成する素子を配置していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
8. 前記磁界発生部は、前記素子群の外径側に配置した複数の磁石で構成され、
   前記正負反転機構として、
   前記素子群を構成する素子のうち、前記選択した素子の外径側に配置される磁石の配向に対し、他の素子の外径側に配置される磁石の配向が反転していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
9. 前記固定子には、前記磁界発生部の外径側を覆う磁性体の背面部が設けられ、
   前記正負反転機構として、
   前記素子群を構成する素子のうち、前記選択した素子の外径側には、前記磁界発生部を構成する磁石が配置され、他の素子の外径側には、前記外径側から内周面側に突出した前記背面部の突出部が配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。

Images