CN102472637B - 旋转角度检测传感器 - Google Patents
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Abstract
一种旋转角度检测传感器形成为，将径向上进行了两极磁化的圆柱形的永磁铁用于旋转角度检测传感器，从而避免磁传感器与永磁铁的一端面之间的间隙变窄，并且防止角度检测误差。将永磁铁(1)设定成直径为4mm～20mm、且轴向长度为3mm～5mm的铁素体磁铁或铝铁镍钴磁铁，使多个磁传感器(2、3)在与永磁铁(1)的一端面中的磁铁直径的10％以下的中心部分(A)在轴向上距离0.5mm～3.0mm的位置对径向的磁通密度进行检测，由此能够在径向的磁通密度的分布曲线的倾斜度平稳的范围内进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触型的旋转角度检测传感器，该旋转角度检测传感器能够利用永磁铁与磁传感器检测两部件之间的相对的旋转角度。
背景技术
作为此类旋转角度检测传感器，存在一种旋转角度检测传感器，该旋转角度检测传感器具备：圆柱形的永磁铁；以及多个磁传感器，该多个磁传感器轴向上远离该永磁铁的一端面的位置配置于同一圆周上。对于此类旋转角度检测传感器，在意欲检测相对的旋转角度的两个部件中，在一方的部件固定永磁铁，在另一方的部件固定多个磁传感器，并将这两个部件的相对的同心旋转的旋转角度变换成永磁铁的旋转磁场，此类旋转角度检测传感器还具备处理电路，该处理电路通过利用对多个磁传感器之间的输出差的运算来求出该旋转角度。当进行所述固定时，尽可能地将永磁铁的中心线、配置有多个磁传感器的圆周的中心、以及两个部件的相对旋转的旋转中心配置成位于同一直线上(专利文献1)。
以往，使用对圆柱形的成形体沿径向进行了两极磁化的磁铁作为永磁铁。此类永磁铁以包含圆柱状的中心线的轴向平面为边界，在其一半具有N极，在剩余的一半具有S极。多个磁传感器形成为通过检测磁通密度来检测旋转角度。尽量在磁通密度的绝对值大的空间配置多个磁传感器，这对避免磁传感器与永磁铁的一端面之间的间隙变窄的情况是有利的。例如，在利用多个磁传感器检测沿着永磁铁的中心线的轴向的磁通密度的情况下，由于轴向的磁通密度分布曲线的峰值点位于轴向上远离永磁铁的一端面外缘的位置，因此该位置设定成多个磁传感器的标准的配置位置(专利文献2)。
专利文献1：日本特开2004-191101号公报
专利文献2：日本特开2005-291942号公报
然而，当在包含永磁铁的中心线的任意的平面上考虑轴向上远离永磁铁的一端面的空间的轴向的磁通密度分布，表示该磁通密度分布的曲线的倾斜稳定的径向区域在峰值点附近窄。因此，当圆柱形的永磁铁的中心、与在同一圆周上配置多个磁传感器的该圆周的中心相对地偏心时，即当产生所谓的偏心时，各磁传感器进入到磁通密度变化急剧的直径方向区域，形成为与实际的旋转角度相当的磁传感器的输出不同的输出，旋转角度检测传感器所求出的旋转角度与两个部件之间的实际的旋转角度之间的角度检测误差易于变大。为了减小该角度检测误差，虽然专利文献2所公开的旋转角度检测传感器采用了将永磁铁的一端部形成为圆锥台形状、带阶梯状的永磁铁来代替圆柱形的永磁铁，但是因特殊形状化而使得永磁铁的设计难度增加。
发明内容
鉴于上述情形，本发明的课题在于，将在径向进行了两极磁化的圆柱形的永磁铁用于旋转角度检测传感器，能够避免磁传感器与永磁铁的一端面之间的间隙变窄，并能够防止角度检测误差。
为了解决上述课题，对于在径向进行了两极磁化的圆柱形的永磁铁的种种，研究了轴向上远离永磁铁的一端面的空间的磁通密度分布。此处，“轴向”是指沿着永磁铁的中心线的方向。“径向”是指与轴向正交的方向。“圆柱形”是指在整个轴向上具有相同外径的实心体。“在径向上进行了两极磁化”是指从径向进行磁化以使得在永磁铁的半圆柱区域产生N极、且在剩余的半圆柱区域产生S极。“磁传感器”是指将径向的磁通密度转换为电信号的功能部位。研究的结果发现：在表示在包含永磁铁的中心线的任意平面上的径向的磁通密度分布的曲线中，在大于磁铁直径的径向区域和小于磁铁直径的径向区域两处存在峰值(绝对值)，大的径向区域包含从正的峰值点向大径侧倾斜度平稳的范围，小的径向区域包含从负的峰值点向大径侧或小径侧倾斜度平稳的范围，与轴向的磁通密度分布相比能够较广地获得这些倾斜度平稳的大的范围；以及当在大、小径向区域内的倾斜度平稳的范围之间对起始自永磁铁的中心线的轴向延长线上的相同径向距离的位置上的绝对值进行比较，小的径向区域的一方增大。基于这样的见解，由于本发明配置磁传感器，以便在对避免磁传感器与永磁铁之间的间隙变窄有利的所述小的径向区域内的倾斜度平稳的范围内检测径向的磁通密度，因此在旋转角度检测传感器中采用在径向上进行了两极磁化的圆柱形的永磁铁，能够避免磁传感器与永磁铁的一端面之间的间隙变窄，并能够防止角度检测误差。
具体地说，本发明具备：圆柱形的永磁铁；以及多个磁传感器，该多个磁传感器在轴向上远离所述永磁铁的一端面的位置配置于同一圆周上，所述永磁铁为圆柱形，且整体由均质的材料形成，并且在由在径向上进行了两极磁化的磁铁构成的旋转角度检测传感器中，所述永磁铁由直径为4mm～20mm、且轴向长度为3mm～5mm的铁素体磁铁或铝铁镍钴磁铁构成，所述多个磁传感器配置成，在与所述永磁铁的一端面中的该磁铁直径的20％以下的中心部分在轴向上距离0.5mm～3.0mm的位置对径向的磁通密度进行检测，通过采用该结构，使得磁传感器在所述小的径向区域中的倾斜度平稳的范围内进行检测。
优选地，所述多个磁传感器配置成，在与所述永磁铁的一端面中的该磁铁直径的10％以下的中心部分在轴向上距离0.5mm～1.5mm的位置对径向的磁通密度进行检测。
根据对上述径向的磁通密度分布的曲线进行分析的结果可知：在所述永磁铁的一端面中的在轴向上距离该磁铁直径的10％以下的中心部分0.5mm～1.5mm的位置，即使永磁铁整体相对于轴向以1/20的斜度倾斜，该倾斜的影响所导致的径向的磁通密度的变化也比其它区域少。如果配置成磁传感器在该位置进行检测，则不仅当偏心时，即使当在永磁铁与配置多个磁传感器的同一圆周之间相对地产生所述的斜度时，也能够防止角度检测误差。
在设定了在所述同一圆周的中心及该永磁铁的中心线之间所允许的偏心量的情况下，基于该偏心量来决定磁铁直径，由此能够将磁传感器配置于在轴向上远离磁铁直径的20％以下的中心部分的位置。
具体地说，所述磁铁直径只要是设定为所述同一圆周的最大直径、与该同一圆周的中心与该永磁铁的中心线之间所允许的偏心量之和的5倍以上即可。此处，“同一圆周的最大直径”是指，当考虑使多个磁传感器之中的一个与其它磁传感器重叠的假想旋转移动的中心(即，配置多个磁传感器的同一圆周的中心)时，多个磁传感器之中的一个磁传感器在距离中心最远的位置所描画的旋转轨迹圆的直径。
作为产生了所述偏心量的代表例，能够举出如下结构：具备供所述永磁铁固定的轴、以及由轴承部支承该轴并供所述多个磁传感器固定的壳体，所述偏心量基于在所述轴与所述壳体之间设定的径向间隙而决定。
例如，所述径向间隙为设置于壳体的轴承部与轴之间的配合，在轴承部由滚动轴承构成的情况下的轴向内部间隙为外圈与壳体之间的配合。由于允许设定偏心量，因此作为对轴进行支承的轴承部，只要是使用能够在偏心量的范围内维持永磁铁的轴承部即可，例如即使对滚动轴承施加预压力而形成为负的轴向间隙、或放松对滑动轴承与轴的嵌合等级的要求，也能够构成具有高输出精度的旋转角度检测传感器。
特别优选地，所述永磁铁固定于所述轴的一端，所述磁铁直径为所述同一圆周的最大直径与所述径向间隙之和的10倍以上。
如果在所述轴与所述壳体之间设定径向间隙，则轴能够根据径向间隙而倾斜。在永磁铁固定于轴的一端的情况下，因轴的倾斜而产生具有所述斜度的倾斜度。如果磁铁直径为所述和的10倍以上，则在此类旋转角度检测传感器中，由于能够在轴向上远离永磁铁的一端面中的该磁铁直径的10％以下的中心部分的位置配置磁传感器，因此即使当相对地产生所述斜度时，也能够防止角度检测误差。
能够采用一体地汇集所述多个磁传感器的传感器阵列。无需单个地配置磁传感器而能够简化传感器的结构，因此传感器阵列很方便。取而代之地，多个磁传感器固定于具有传感器阵列所固有的配置中心的同一圆周上。如果基于磁铁直径来决定磁传感器的径向位置，则即使采用传感器阵列，也能够在规定的径向位置配置磁传感器。
所述旋转角度检测传感器具备：轴；由轴承部支承该轴的壳体；以及安装有所述多个磁传感器的电路基板，所述永磁铁固定于轴的一端，所述轴的另一端在所述壳体的外部露出，所述壳体内置所述永磁铁以及所述多个磁传感器，并且具有壳体盖，该壳体盖具有在轴向上与所述轴的一端对置的平坦部，所述电路基板固定于所述壳体盖的平坦部，通过采用上述结构，由此能够形成单元化。
单元化了的旋转角度检测传感器，将进行相对旋转的两个部件中的一方的部件作为轴、将轴与一方的部件连接，并且将另一方的部件作为壳体、将壳体固定于另一方的部件，由此能够安装到其它设备并检测两个部件之间的相对的旋转角度。例如，能够用于如一般的工业机械、建筑机械的驱动轴与机体之间这样的进行相对旋转的两个部件之间的旋转角度检测。
在进行所述单元化的情况下，能够采用如下结构：所述轴承部由被安装于所述轴与所述壳体之间的滚动轴承构成，利用所述壳体盖按压所述轴承部的外圈而施加预压力。该单元能够通过对滚动轴承施加预压力来提高轴承刚性、防止轴的偏心，并将施加预压力用的盖利用于多个磁传感器的支承。
在施加所述预压力的情况下，能够采用如下结构：所述壳体盖、所述轴、以及所述轴承部的内外圈及滚动体由强磁性材料形成，在所述壳体盖的所述平坦部的周围设置与所述外圈接触的接触部，所述多个磁传感器配置于由所述壳体盖、所述轴以及所述轴承部形成的磁屏蔽空间内。
如果利用强磁性材料形成壳体盖、轴、以及滚动轴承的内外圈及滚动体、并使壳体盖的平坦部的周围与外圈接触，则能够由壳体盖、轴以及滚动轴承形成作为一种磁屏蔽件的强磁性屏蔽件。根据壳体盖、轴的一端以及外圈的位置关系，能够将该强磁性屏蔽件设置成从壳体外部一条直线状地朝向磁传感器的全部磁力线与壳体盖等中的任一部件相交。外部的磁力线无法笔直地到达该强磁性屏蔽件为有效的所述磁屏蔽空间内，而向由壳体盖、外圈、滚动体、内圈以及轴这一系列部件形成的迂回路引导。由于在该磁屏蔽空间内配置多个磁传感器，因此能够防止外部磁场所导致的磁通密度的检测误差。由于磁屏蔽件由壳体盖、轴以及滚动轴承形成，因此能够自由地选择安装壳体盖的壳体主体的材料。例如，通过利用树脂注射成形、铝合金等形成壳体主体，也能够使壳体轻量化。
能够采用下述结构：所述平坦部比其周围更向一端侧凹陷，所述电路基板被树脂密封，以使得所述电路基板无法到达所述多个磁传感器与所述永磁铁的一端面之间。
如果使壳体盖的平坦部向一端侧凹陷，则能够以该平坦部的凹内壁为模而容易地进行电路基板的树脂密封。由于该树脂密封层未到达多个磁传感器与所述永磁铁的一端面之间，因此不会成为永磁铁与多个磁传感器之间的间隙设定的障碍。
所述旋转角度检测传感器具备轴、以及由轴承部支承该轴的壳体，所述永磁铁固定于轴的一端，所述壳体内置所述永磁铁以及所述多个磁传感器，如果采用所述多个磁传感器位于由强磁性材料制的所述轴以及其它部件形成的磁屏蔽空间内的结构，则通过利用了轴的磁屏蔽件能够防止外部磁场所导致的角度检测误差。
根据对采用所述磁屏蔽件所涉及的结构时的上述径向的磁通密度分布的曲线进行了分析的结果可知：当所述永磁铁由直径为4mm～6mm、且轴向长度为3mm～5mm的铁素体磁铁构成时，与相同尺寸的铝铁镍钴磁铁相比，永磁铁的一端面中的在轴向上远离该磁铁直径的20％以下的中心部分的位置处的绝对值大。因此，如果在采用所述磁屏蔽件的所涉及的结构的同时采用所述永磁铁，则能够使用比铝铁镍钴磁铁廉价的铁素体磁铁，并能够避免磁传感器与永磁铁的一端面之间的间隙变窄。
如上所述，本发明将在径向上进行了两极磁化的圆柱形的永磁铁用于旋转角度检测传感器，并通过使对径向的磁通密度进行检测的多个磁传感器的位置、永磁铁的外部尺寸及种类、以及磁传感器与永磁铁之间的间隙形成为所述特定的关系，能够避免磁传感器与永磁铁的一端面之间的间隙变窄，并能够防止角度检测误差。
附图说明
图1中，(a)是第一实施方式所涉及的旋转角度检测传感器的主视图，(b)是第一实施方式所涉及的旋转角度检测传感器的侧视图，(c)是所述(a)的永磁铁的一端面的中心部分的放大图。
图2是将包含永磁铁的中心线的平面上的磁场解析例与图1的解析模型一起示出的磁通分布图。
图3中，(a)是图2的解析模型在条件1的情况下间隙为0.5mm时的径向的磁通密度分布图，(b)是在相同的条件1的情况下间隙为1.0mm时的径向的磁通密度分布图，(c)是在相同的条件1的情况下间隙为1.5mm时的径向的磁通密度分布图。
图4(a)是图2的解析模型在条件2的情况下间隙为0.5mm时的径向的磁通密度分布图。
图4(b)是图2的解析模型在条件2的情况下间隙为1.0mm时的径向的磁通密度分布图。
图4(c)是图2的解析模型在相同的条件2的情况下间隙为1.5mm时的径向的磁通密度分布图。
图4(d)是图2的解析模型在相同的条件2的情况下间隙为3.0mm时的径向的磁通密度分布图。
图5中，(a)是图2的解析模型在条件3的情况下间隙为0.5mm时的径向的磁通密度分布图，(b)是在相同的条件3的情况下间隙为1.0mm时的径向的磁通密度分布图，(c)是在相同的条件3的情况下间隙为1.5mm时的径向的磁通密度分布图。
图6中，(a)是图2的解析模型在条件4的情况下间隙为0.5mm时的径向的磁通密度分布图，(b)是在相同的条件4的情况下间隙为1.0mm时的径向的磁通密度分布图，(c)是在相同的条件4的情况下间隙为1.5mm时的径向的磁通密度分布图。
图7中，(a)是图2的解析模型在条件5的情况下间隙为0.5mm时的径向的磁通密度分布图，(b)是在相同的条件5的情况下间隙为1.0mm时的径向的磁通密度分布图，(c)是在相同的条件5的情况下间隙为1.5mm时的径向的磁通密度分布图。
图8是第二实施方式所涉及的旋转角度检测传感器的主视图。
图9是第三实施方式所涉及的旋转角度检测传感器的主视图。
图10是实施例1所涉及的旋转角度检测传感器的纵剖侧视图。
图11是示出实施例1的变更例的纵剖侧视图。
图12是实施例2所涉及的旋转角度检测传感器的纵剖侧视图。
具体实施方式
如图1所示，第一实施方式所涉及的旋转角度检测传感器(以下，仅称为“第一实施方式”)具备：圆柱形的永磁铁1；以及多个磁传感器2、3，该多个磁传感器2、3在轴向上远离永磁铁1的一端面的位置配置于同一圆周上。
永磁铁1由对形成为圆柱形、且整体由均质的材料形成的成形体在径向上进行了两极磁化的铁素体磁铁或铝铁镍钴磁铁构成。成形体在径向上具有各向异性。永磁铁1在半圆柱区域具有N极，在剩余的半圆柱区域具有S极。
图1所示的磁传感器2、3由将径向的磁通密度转换为电信号的功能部位构成。例如，磁传感器2、3由在设置于径向的磁通密度检测用的通用的霍尔元件、MR(Magneto-Resistive)元件、MI(Magneto-Impedance)元件等磁检测元件设置的感磁部构成，感磁部是指产生与横穿于径向的磁通密度对应的输出变化的部位。霍尔元件的感磁部例如由在与径向正交的方向上设置的半导体薄膜部构成。MR元件的感磁部例如由强磁性薄膜部、或同轴各向异性强磁性薄膜部的导电路径构成。MI元件的感磁部例如由使微小高频电流流通而检测出阻抗变化的磁性导体部构成。除了采用一体地汇集多个磁传感器2、3的传感器阵列、至少一个磁传感器之外，也可以适当地采用一体地汇集信号增幅电路、AD转换电路、存储电路以及信号处理电路等的集成电路。
在具有相对旋转关系的两部件中，在被作为一方的部件的轴4的一端固定永磁铁1，在另一方的部件(省略图示)固定多个磁传感器2、3。其结果是，多个磁传感器2、3在轴向上远离永磁铁1的一端面的位置配置于同一圆周上，并且配置为围绕同一圆周的中心而具有90°的旋转角度差。永磁铁1、多个磁传感器2、3以及两部件尽可能地配置成：永磁铁1的中心线、配置有多个磁传感器2、3的同一圆周的中心、以及两部件的相对旋转的旋转中心轴处于直线L上。当然，将这些部件配置于直线L上为理想状态。
此外，第一实施方式形成为通过上述的90°配置能够获得在多个磁传感器2、3之间具有90°的相位差的输出。具备信号处理电路(省略图示)，该信号处理电路通过利用多个磁传感器2、3之间的输出差进行运算来求出多个磁传感器2、3与永磁铁1的相对的同心旋转的旋转角度。所述相对的同心旋转的中心线形成为包含永磁铁1的中心线、配置多个磁传感器2、3的同一圆周的中心的直线L。能够适当地采用所述的信号处理电路。例如，当将磁传感器2的输出设为Vx、将磁传感器3的输出设为Vy、将旋转角度设为θ时，对于|Vx|≤|Vy|有θ＝arctan(Vx/Vy)、以及对于|Vx|≥|Vy|有θ＝arccot(Vx/Vy)，由此进行求解。也可以是专利文献1所公开的矢量旋转方式。多个磁传感器2、3并不局限于上述那样的90°配置，只要是在不对检测形成障碍的范围内适当地决定旋转角度差即可。此外，因温度补偿也能够追加与磁传感器2的相位差为180°的磁传感器、以及与磁传感器3的相位差为180°的磁传感器。
在成为一方的部件的轴4的一端固定永磁铁1的状态下，将永磁铁1的磁铁直径、轴向长度、周边环境设定成以下条件1～条件5，并对轴向上远离永磁铁1的一端面的空间的径向的磁通密度进行了解析。
条件1：如图2表示解析空间那样，将其它部件4a、4b形成为强磁性，该其它部件4a、4b将与永磁铁1相接的轴4、永磁铁1以及磁传感器(省略图示)的周围与轴4一起包围，将永磁铁1、轴4以及其它部件4a、4b之间形成为空气，从而形成为与将图1的永磁铁1以及多个磁传感器2、3配置于由轴4以及其它部件4a、4b形成的磁屏蔽件内的条件相当的解析条件。其它部件4a、4b例如为内置永磁铁1以及多个磁传感器2、3的壳体、磁铁保持件、以及将磁铁保持件紧固于轴4的主体一端面的螺钉部件等。利用将永磁铁1设成轴向长度为3mm的铁素体磁铁、且将该磁铁直径设成10mm、6mm、4mm的各解析模型，对在包含永磁铁1的中心线的任意平面上的径向的磁通分布进行了解析。图2中示出了磁通分布的一例。图2中的横轴X(mm)设定为径向的位置，横轴X的0点位于永磁铁1的中心线上。图2中的纵轴Y(mm)设定为轴向的位置，纵轴Y的0点位于与永磁铁1的另一端面在轴向上距离1mm的水平。所述任意的平面上的径向的磁通密度分布求出了在与永磁铁1的一端面之间的轴向间隙为0.5mm、1.0mm、1.5mm的各位置处与轴向正交的直线上的分布。图3(a)、(b)、(c)中示出了各径向的磁通密度分布的计算结果。在图3中，横轴(mm)相当于图2的横轴，纵轴[T]设定为径向的磁通密度(tesla)。
条件2：在条件1中，将轴4变更为非磁性、且将解析空间变更为非磁性屏蔽空间，并增加了将磁铁直径设为20mm的模型、以及与永磁铁1的一端面之间的轴向间隙为3.0mm的模型。图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)中示出各径向的磁通密度分布。图4(a)～图4(d)的纵轴、横轴与图3相同。
条件3：在条件1中，将永磁铁1的轴向长度变更为5mm。图5(a)、(b)、(c)中示出了各径向的磁通密度分布的计算结果。图5的纵轴、横轴与图3相同。
条件4：在条件1中，将永磁铁1变更为铝铁镍钴磁铁。图6(a)、(b)、(c)中示出了各径向的磁通密度分布的计算结果。图6的纵轴、横轴与图3相同。
条件5：在条件1中，将要求出的径向磁通密度分布变更到分别通过与永磁铁1的一端面的中心线上的间隙分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm、且相对于轴向具有1/20的斜度的直线上。图7(a)、(b)、(c)中示出各径向的磁通密度分布的计算结果。图7的纵轴、横轴与图3相同。使永磁铁1倾斜的一侧亦即图7中的图表左侧是解析位置靠近磁铁的一侧，右侧是解析位置远离磁铁的一侧。条件5相当于根据条件1对永磁铁1整体相对于轴向以相同的斜度倾斜的状态进行解析。
对于图3(a)、(b)、(c)～图7(a)、(b)、(c)的各磁通密度分布，表1中示出了在分布曲线的倾斜度平稳、且以相对于磁铁直径的比来确定适合图1的磁传感器2、3的配置的径向的位置范围的一览表。
[表1]
在表1的各单元格的条件下，当将该单元格内的％值设为N时，对于磁传感器2、3的检测，优选多个磁传感器2、3处于在轴向上与永磁铁1的一端面中的磁铁直径的N％以下的中心部分A距离该单元格的间隙的量的位置。
根据表1可知，磁传感器2、3的检测优选的径向范围受到永磁铁1的材料、磁铁直径、轴向长度、以及周围环境变化的影响。
例如，与具有磁屏蔽件的条件1相比，在无磁屏蔽件的条件2的情况下，磁铁中心附近的分布曲线的倾斜度小，与条件1相比，这是对减小偏心所导致的角度检测误差更加优选的。然而，由于条件2是未被磁屏蔽而易于受到外部磁力的影响的条件，因此当存在外部磁力时，并不倾向于采用与条件2的各径向范围对应的位置。
永磁铁1的轴向长度为5mm的条件3与轴向长度为3mm的条件1虽在磁铁中央附近的曲线的倾斜的倾向上类似，但是条件3下的径向的磁通密度的绝对值更大。因此，在意欲使从永磁铁1的一端面到磁传感器2、3分离间隙g的情况下，增大轴向长度是有效的。
在使用铝铁镍钴磁铁的条件4的情况下，与使用铁素体磁铁的条件1相比，磁铁直径越大，中心部分附近的径向的磁通密度的绝对值越大。因此，在必须增大永磁铁1的一端面与磁传感器2、3之间的间隙g的情况下，通过采用铝铁镍钴磁铁并增大磁铁直径，能够较大地设定间隙g。
并且，当对条件1以及条件3、与条件4进行比较时，则对于条件1、条件3下的直径为6mm、4mm的磁铁，其磁铁中心附近的磁通密度更大。因此，如果采用该条件1下的磁铁直径，则利用比铝铁镍钴磁铁廉价的铁素体磁铁，能够较大地设定永磁铁1的一端面与磁传感器2、3之间的间隙g。
并且，当对条件1与条件5进行比较时，与远离永磁铁1的一侧(图表右侧)相比，靠近永磁铁1的一侧(图表左侧)的磁通密度的变化大。由于条件5下的图表左侧的倾斜度变大，因此磁传感器2、3所优选的径向范围比条件1窄。
图3～7均形成为如下情况：当在径向上大幅远离永磁铁1的一端面中心时，磁通密度的曲线的倾斜度虽然平缓(例如在10mm附近倾斜度小)，但是磁通密度的绝对值比中央附近小。因此，必须较窄地设定磁传感器2、3与永磁铁1的间隙g，从而磁传感器2、3的位置自永磁铁1的中心线变远，由此存在传感器的结构变大等缺点。因此，优选磁传感器2、3配置于在轴向上远离永磁铁1的一端面的中心部分A的位置。
在仅考虑偏心而决定磁传感器2、3的配置范围的情况下，只要关注对与轴向正交的直线上的径向磁通密度分布进行了解析的条件1～条件4的各径向范围即可。根据条件1～条件4的各径向范围，在条件1～条件4的全部条件下，在轴向上与永磁铁1的一端面中的磁铁直径的20％以下的中心部分距离0.5mm～3.0mm的位置，均构成对磁传感器2、3的检测而言优选的位置。
在不仅考虑偏心、还考虑永磁铁1的整体相对于轴向倾斜来决定磁传感器2、3的配置范围的情况下，只要关注对相对于轴向具有所述斜度的直线上的径向的磁通密度分布进行了解析的条件5时的各径向范围即可。根据条件5的各径向范围，在条件1～条件5的全部条件下，在轴向上与永磁铁1的一端面中的磁铁直径的10％以下的中心部分距离0.5mm～3.0mm的位置，均构成对磁传感器2、3的检测而言优选的位置。
根据上述解析结果能够认为：在永磁铁1由直径为4mm～20mm、且轴向长度为3mm～5mm的铁素体磁铁或铝铁镍钴磁铁构成的前提下，优选多个磁传感器2、3在轴向上与永磁铁1的一端面中的磁铁直径的10％以下的中心部分距离0.5mm～3.0mm的位置进行检测。
具体地说，在图1的位于直线L上的轴4以及永磁体1的中心线、与配置多个磁传感器2、3的同一圆周的中心之间允许偏心量δ。磁铁直径为所述同一圆周的最大直径d与偏心量δ之和的10倍以上。如果配置成这样，即使产生偏心量δ，多个磁传感器2、3也会停留于在轴向上远离永磁铁1的一端面的中心部分A的位置。因此，第一实施方式是将在径向上进行了两极磁化的圆柱形的永磁铁用于旋转角度检测传感器，能够避免磁传感器2、3与永磁铁1的一端面之间的间隙g变窄，并且即使产生永磁铁1与磁传感器2、3之间的相对的偏心及倾斜也能够防止角度检测误差。
另外，作为对轴4进行支承的轴承部，由于第一实施方式只要使用能够在偏心量δ的范围内维持永磁铁1的轴承部即可，因此例如即使对滚动轴承施加预压力而形成为负的轴向间隙、或者放松对滑动轴承与轴4的嵌合等级的要求，也能够构成具有高输出精度的旋转角度检测传感器。
图8中示出了第二实施方式。以下，以与第一实施方式的不同点为中心进行叙述。第二实施方式所涉及的磁传感器2、3配置成在轴向上与永磁铁1的一端面中的磁铁直径的20％以下的中心部分A距离0.5～3.0mm的位置对径向的磁通密度进行检测。如果配置成这样，则即使产生偏心量δ，多个磁传感器2、3也会停留于在轴向上远离永磁铁1的一端面的中心部分A的位置。因此，第二实施方式即使产生偏心也能够防止角度检测误差。
图9中示出了第三实施方式。第三实施方式在第二实施方式的基础之上，采用一体地汇集多个磁传感器2、3的传感器阵列5。磁铁直径设定为传感器阵列5所固有的磁传感器2、3的同一圆周的最大直径d(参照图1(c))、与偏心量δ之和的5倍以上。
实施例
图10中示出了实施例1。如图所示，实施例1具备轴4、壳体6以及安装有传感器阵列的电路基板8。壳体6由轴承部7对轴4进行支承。永磁铁1固定于轴4的一端。轴4的另一端在壳体6的外部露出。壳体6设置成内置永磁铁1及电路基板8。并且，壳体6具有：设置轴承部7的壳体主体10；以及壳体盖9，该壳体盖9具有在轴向上与轴4的一端对置的平坦部9a。
轴承部7由多列地安装于轴4与壳体主体10之间的一对滚动轴承构成。此外，轴承部7并不特别地限定种类，如图11例示那样，可以由单列的滚动轴承构成，也可以由滑动轴承构成。
构成轴承部7的滚动轴承具有正的轴向间隙。实质上并未产生滚动轴承、与壳体主体10以及轴4的配合所导致的偏心量。因此，设定于壳体主体10与轴4之间的径向间隙由正的轴向间隙决定，图1的偏心量δ也基于该轴向间隙。因此，轴承部7采用了能够在图1的偏心量δ的范围内维持偏心的刚性的结构。永磁铁1的磁铁直径为同一圆周的最大直径d与相当于径向间隙的轴向间隙之和的10倍以上。
壳体盖9安装于形成对滚动轴承的外圈进行支承的轴承座的壳体主体10的一端侧。电路基板8固定于壳体盖9的平坦部9a。
还能够利用壳体盖9而对轴承部7施加预压力。在该情况下，在图示的正规的单元安装状态下，可以认为轴4的轴心位于包含永磁铁1的中心线等的直线L上，由于当对轴4施加过大的载荷时仅略微地产生偏心量δ、轴4的倾斜，因此可以认为只要是永磁铁1的磁铁直径为同一圆周的最大直径d与预想的偏心量δ之和的5倍以上即可。
具体地说，当将壳体盖9螺钉紧固于壳体主体10时，利用该螺钉紧固力，轴承部7的滚动轴承被夹于壳体主体10的肩部与壳体盖9之间，并被施加了规定的预压力。由于对滚动轴承施加了预压力，因此能够提高轴承刚性并防止轴4的偏心。如图所示，在利用壳体盖9直接按压滚动轴承而施加预压力的情况下，在平坦部9a的周围设置与外圈11接触的接触部9b。此外，预压力并不局限于在轴向上利用壳体盖9直接按压滚动轴承1的方式，也能够在滚动轴承与壳体盖之间经由衬垫而按压。在意欲形成为简单的平板状的壳体盖的情况下，只要采用衬垫即可。
为了容易地将壳体6安装于其它部件，优选在壳体主体10设置外凸缘10a。在外凸缘10a设置螺钉紧固用的贯通孔。
优选利用密封件12对壳体主体10的另一端侧的内周与轴4之间进行密封。能够利用密封件12防止磁性粉侵入到壳体6内。根据相同的目的，优选将甩油环13设置于密封件12的外侧。或者，优选利用O形环14对壳体盖9与壳体主体10之间进行密封。
轴4具备保持永磁铁1的磁铁保持件15。内圈16设置成内圈16的嵌合面的一端部16a比轴4的一端更加突出。由于内圈16的嵌合面的一端部16a比轴4的一端更加突出，因此能够使磁铁保持件15的外周部15a与内圈16的一端部16a嵌合。通过该嵌合能够在半径方向上对保持于磁铁保持件15的永磁铁1进行定位。因此，能够简单地在半径方向上对永磁铁1进行定位。
磁铁保持件15利用下述部件对永磁铁1进行保持：嵌入到永磁铁1的外径面的筒部15b；以及钩挂于嵌入到筒部15b的永磁铁1的一端面的止脱部15c。当将永磁铁1的外径面嵌入到筒部15b时，能够在半径方向上相对于磁铁保持件15的外周部15a对永磁铁1进行定位。通过轴承部7的支承，轴4在轴向上被定位于壳体6。在将磁铁保持件15固定于轴4的一端的状态下，被支承于轴4的一端的永磁铁1不向另一端侧位移。因此，能够利用钩挂于永磁铁1的一端面的止脱部15c，来维持永磁铁1与固定于壳体盖9的磁传感器2、3之间的间隙g。
例如，在永磁铁1由直径为4mm～20mm、且轴向长度为3mm～5mm的铁素体磁铁构成的情况下，间隙g能够在0.5mm～3.0mm之间适当地采用。特别是在意欲增大间隙g的情况下，所述永磁铁可以采用直径为4mm～6mm、且轴向长度为3mm～5mm的铁素体磁铁。
止脱部15c钩挂于永磁铁1的一端面中的超过永磁铁半径r的80％的半径方向区域部分。因此，止脱部15c在设定间隙g时不会成为障碍，能够与止脱部15c的轴向长度毫无关系而自由地较窄地设定间隙g。磁铁保持件15能够利用树脂注射成形而简单地制造。作为磁铁保持件15的最终的固定方法，能够采用对轴4的一端的螺钉紧固。
电路基板8将包含传感器阵列的集成电路17单面安装于另一端侧的基板面，并在连接线缆18的状态下固定于壳体盖9的平坦部9a。与电路基板8连接的线缆18从壳体盖9的线缆口向外部取出。如果单面安装于电路基板8的另一端侧的基板面，则电路基板8的一端侧的基板面被直接支承于与轴4的一端在轴向上对置的平坦部9a。因此，能够省略螺钉紧固电路基板8时的衬垫。
壳体盖9的平坦部9a比与设置于其周围的外圈11接触的接触部更向一端侧凹陷。通过使平坦部9a向一端侧凹陷，能够以该平坦部9a的凹内壁为模具并容易地进行电路基板8的树脂密封。此外，使平坦部9a比接触部9b更加凹陷，以使得平坦部9a不与从轴4的一端突出的内圈16的一端侧的侧面接触，由此即使外圈11与内圈16的宽度相同，也不会使内圈16与壳体盖9接触。
为了不使电路基板8到达多个磁传感器2、3与永磁铁1的一端面之间，在比集成电路17的另一端靠一端侧树脂密封。多个磁传感器2、3在轴向位置实质上可以考虑处于集成电路17的另一端。在该树脂密封后，壳体盖9被安装于壳体主体10。由于树脂密封层19形成于比集成电路17的另一端靠一端侧的位置，因此不会成为设定永磁铁1与多个磁传感器2、3之间的间隙g时的障碍。
此外，壳体盖9的线缆口也由树脂密封层20闭塞。由于利用螺钉紧固于平坦部9a的电路基板8覆盖线缆口，因此易于进行电路基板8、线缆口的密封用树脂的填充。由于能够分开进行电路基板8用的树脂填充与线缆口用的树脂填充，因此能够利用不同种类的树脂形成两树脂密封层19、20。特别地，由于电路基板8用的树脂密封层19位于壳体6内，因此优选采用振动吸收性比线缆口用的树脂密封层20优异的结构。由于线缆口用树脂密封层20位于壳体6外，因此优选采用机械强度、耐气候性、防水性比电路基板8用的树脂密封层19优异的结构。
在电路基板8的树脂密封之后，能够在壳体主体10安装轴4、轴承部7等，并能够将壳体盖9安装于壳体主体10。在无偏心的状态下考虑，多个磁传感器2、3因该安装而固定于在轴向上仅距离永磁铁1的一端面的中心部分A间隙g的量的位置(也参照图1(c))。由此，多个磁传感器2、3配置成，即使产生偏心量δ，也能够在轴向上仅距离永磁铁1的一端面的中心部分A间隙g的量的位置对径向的磁通密度进行检测。
壳体盖9、轴4、以及轴承部7的外圈11、内圈16及滚动体21各自由适当的强磁性材料形成。通过壳体盖9的安装来确保一端侧的滚动轴承的外圈11与接触部9b之间的接触，并利用强磁性材料制的滚动轴承、壳体盖9以及轴4形成磁屏蔽件。如果采用预压力，则能够更加可靠地实现接触部9b与外圈11之间的接触。磁屏蔽件由强磁性屏蔽件构成，该强磁性屏蔽件设置成从壳体6的外部一条直线状地朝向磁传感器2、3的全部磁力线与壳体盖9、轴4、内外圈16、11中的任一部件相交。多个磁传感器2、3配置于该磁屏蔽件的有效的磁屏蔽空间内。外部磁场的磁力线无法笔直地到达多个磁传感器2、3，而向一系列形成壳体盖9、外圈11、滚动体21、内圈16以及轴4的迂回路引导。因此，能够防止外部磁场所导致的磁通密度的检测误差。
所述强磁性材料并没有特殊地限定。例如能够通过采用轴承钢，利用根据现有具有标准的轴承钢制的内外圈以及滚动体的滚动轴承、一般结构用的轴以及壳体盖来形成磁屏蔽空间。此外，为了实现轻量化，壳体主体10由铝合金、树脂等非强磁性材料形成。
图12中示出了实施例2。实施例2也构成为由设置于壳体主体32的内周的轴承部33将轴31支承为旋转自如的传感器单元。轴承部33由滑动轴承构成。虽然示出了轴承部33形成于壳体主体32的内周的例子，但是也可以安装分体的滑动轴承。在轴31与轴承部33之间存在径向间隙。基于该径向间隙确定偏心量。永磁铁1固定于形成轴31的一端的磁铁保持件34。在通过壳体盖35的固定，集成电路17配置于规定的位置，在这一点上与实施例1相同。
本发明的技术范围并不局限于上述实施方式，包含在基于权利要求书的记载的技术思想的范围内的全部变更。
标号说明如下：
1...永磁铁；2、3...磁传感器；4、31...轴；5...传感器阵列；6...壳体；7、33...轴承部；8...电路基板；9、35...壳体盖；9a...平坦部；9b...接触部；10、32...壳体主体；11...外圈；16...内圈；16a...嵌合面的一端部；17...集成电路；19、20...树脂密封层；21...滚动体；A...中心部分；d...同一圆周的最大直径；g...间隙；δ...偏心量。
Claims (15)
1.一种旋转角度检测传感器，该旋转角度检测传感器具备：圆柱形的永磁铁；以及多个磁传感器，该多个磁传感器在轴向上远离所述永磁铁的一端面的位置配置于同一圆周上，所述永磁铁为圆柱形，且整体由均质的材料形成，并且由在径向上进行了两极磁化的磁铁构成，
所述旋转角度检测传感器的特征在于，
所述永磁铁由直径为4mm～20mm、且轴向长度为3mm～5mm的铁素体磁铁或铝铁镍钴磁铁构成，
所述多个磁传感器配置成，在与所述永磁铁的一端面中的该磁铁直径的20％以下的中心部分在轴向上距离0.5mm～3.0mm的位置对径向的磁通密度进行检测，
所述磁铁直径为所述同一圆周的最大直径、与该同一圆周的中心和该永磁铁的中心线之间所允许的偏心量之和的5倍以上。
2.根据权利要求1所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
所述多个磁传感器配置成，在与所述永磁铁的一端面中的该磁铁直径的10％以下的中心部分在轴向上距离0.5mm～3.0mm的位置对径向的磁通密度进行检测。
3.根据权利要求1所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
该旋转角度检测传感器具备供所述永磁铁固定的轴、以及由轴承部支承该轴并供所述多个磁传感器固定的壳体，所述偏心量基于在所述轴与所述壳体之间设定的径向间隙而决定。
4.根据权利要求3所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
所述永磁铁固定于所述轴的一端，所述磁铁直径为所述同一圆周的最大直径与所述径向间隙之和的10倍以上。
5.根据权利要求1所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
该旋转角度检测传感器具备一体地汇集所述多个磁传感器的传感器阵列。
6.根据权利要求4所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
该旋转角度检测传感器具备一体地汇集所述多个磁传感器的传感器阵列。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
该旋转角度检测传感器具备：轴；由轴承部支承该轴的壳体；以及安装有所述多个磁传感器的电路基板，所述永磁铁固定于轴的一端，所述轴的另一端在所述壳体的外部露出，所述壳体内置所述永磁铁以及所述多个磁传感器，并且具有壳体盖，该壳体盖具有在轴向上与所述轴的一端对置的平坦部，所述电路基板固定于所述壳体盖的平坦部。
8.根据权利要求7所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
所述轴承部由安装于所述轴与所述壳体之间的滚动轴承构成，利用所述壳体盖按压所述轴承部的外圈而施加预压力。
9.根据权利要求7所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
所述壳体盖、所述轴、以及所述轴承部的内外圈及滚动体由强磁性材料形成，在所述壳体盖的所述平坦部的周围设置与所述外圈接触的接触部，所述多个磁传感器配置于由所述壳体盖、所述轴以及所述轴承部形成的磁屏蔽空间内。
10.根据权利要求8所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
所述壳体盖、所述轴、以及所述轴承部的内外圈及滚动体由强磁性材料形成，在所述壳体盖的所述平坦部的周围设置与所述外圈接触的接触部，所述多个磁传感器配置于由所述壳体盖、所述轴以及所述轴承部形成的磁屏蔽空间内。
11.根据权利要求7所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
所述平坦部比其周围更向一端侧凹陷，所述电路基板被树脂密封，以使得所述电路基板无法到达所述多个磁传感器与所述永磁铁的一端面之间。
12.根据权利要求8所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
所述平坦部比其周围更向一端侧凹陷，所述电路基板被树脂密封，以使得所述电路基板无法到达所述多个磁传感器与所述永磁铁的一端面之间。
13.根据权利要求9所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
所述平坦部比其周围更向一端侧凹陷，所述电路基板被树脂密封，以使得所述电路基板无法到达所述多个磁传感器与所述永磁铁的一端面之间。
14.根据权利要求10所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
所述平坦部比其周围更向一端侧凹陷，所述电路基板被树脂密封，以使得所述电路基板无法到达所述多个磁传感器与所述永磁铁的一端面之间。
15.根据权利要求1～6中任一项所述的旋转角度检测传感器，其特征在于，
该旋转角度检测传感器具备轴、以及由轴承部支承该轴的壳体，所述永磁铁固定于轴的一端，所述壳体内置所述永磁铁以及所述多个磁传感器，所述多个磁传感器位于由强磁性材料制的所述轴以及其它部件形成的磁屏蔽空间内。
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