JP2017161472A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】径方向及び／又は周方向の磁場強度に基づき回転角度を精確に検出することが可能な回転角度検出装置を提供する。【解決手段】回転角度検出装置は、回転体の回転に伴いその回転軸と一体に回転可能に設けられ、回転軸に直交する方向の磁化ベクトルの成分を有する磁石と、磁石の回転に伴う磁場の変化に基づきセンサ信号を出力する磁気センサ部と、センサ信号に基づき回転体の回転角度を検出する回転角度検出部とを備え、磁石は、回転軸に実質的に直交する第１面及びそれに対向する第２面と、周方向の全周に亘って連続する凹側面とを有し、磁気センサ部は、凹側面によって囲まれる空間内であり、回転軸に直交し、回転軸を中心とする円形の仮想平面上における径方向及び周方向の磁場強度Ｈr，Ｈθの振幅が互いに実質的に同一となる位置に設けられ、少なくとも径方向及び周方向の磁場強度Ｈr，Ｈθのいずれか一方をセンサ信号として出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の回転角度を検出するための回転角度検出装置に関する。

従来、種々の用途で、回転体の回転角度を検出するための回転角度検出装置が用いられている。このような回転角度検出装置としては、回転体と一体に回転するように固定された磁石と、磁石の回転に伴う磁界の強さの変化を検出する磁気センサ素子とを備えるものが知られている。かかる回転検出装置において、磁気センサ素子は、回転体と磁気センサ素子との相対的位置関係を示す信号を出力する。

従来の回転角度検出装置としては、図３１に示すように、円板状に形成された磁石２００が、磁石２００の第１面２０１及び第２面２０２をシャフトＳ（回転軸）に直交させるようにして当該シャフトＳ（回転軸）に支持・固定されており、磁石２００の第２面２０２の外周の直下であって、シャフトＳ（回転軸）を中心とした周方向に磁気センサ素子（ホール素子）３００が配置されているものが知られている（特許文献１参照）。

上記回転角度検出装置においては、シャフトＳ（回転軸）が径方向に微小に移動する軸ブレが生じることで、シャフトＳ（回転軸）に支持・固定された磁石２００が径方向に微小に移動してしまうことがある。一方で、磁気センサ素子（ホール素子）３００は、磁石２００の外周の角部における、シャフトＳ（回転軸）に平行な方向の磁束密度を測定するように配置されている。そのため、磁石２００の微小な移動に伴い、磁気センサ素子（ホール素子）３００にて測定される磁束密度の測定値が大きく変動し、回転角度の測定誤差が大きくなってしまうという問題がある。

そこで、従来、図３２に示すように、シャフトＳの軸方向に空隙を隔ててシャフトＳ（回転軸）に支持・固定され、第１面２１１及びそれに対向する第２面２１２を有する２つの磁石２１０と、２つの磁石２１０の回転軸方向の間で、シャフトＳの外周端と磁石２１０の外周端との間に配置される２つの磁気センサ素子（ホール素子）３１０とを備える回転角度検出装置が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００３−７５１０８号公報 特開２００６−４７２２７号公報

上記特許文献２に記載の回転角度検出装置においては、２つの磁石２１０により挟まれた空間（シャフトＳの外周端と磁石２１０の外周端との間の空間）に、磁束線が径方向に揃って向く閉磁場が形成されるため、この閉磁場が形成される空間に２つの磁気センサ素子３１０を配置することで、磁石２１０の微小な移動によっても回転角度の検出誤差が大きくならないという効果が奏される。

しかしながら、上記特許文献２に記載の回転角度検出装置においては、磁石２１０の径方向の磁束のみを２つの磁気センサ素子（ホール素子）３１０にて検出するものであるため、回転角度の検出精度が不十分であるという問題がある。また、２つの磁気センサ素子（ホール素子）３１０を設ける位置（磁石２１０の径方向における位置）が相互にずれると、磁石２１０の回転に伴い各磁気センサ素子（ホール素子）３１０により検出される磁束の振幅の大きさが異なり、その結果として、回転角度の検出誤差が大きくなってしまうという問題がある。

上記課題に鑑みて、本発明は、径方向及び／又は周方向の磁場強度に基づき回転角度を精確に検出することが可能な回転角度検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、回転体の回転に伴いその回転軸と一体に回転可能に設けられ、前記回転軸に直交する方向の磁化ベクトルの成分を有する磁石と、前記磁石の回転に伴う磁場の変化に基づき、センサ信号を出力する磁気センサ部と、前記磁気センサ部により出力された前記センサ信号に基づき、前記回転体の回転角度を検出する回転角度検出部とを備え、前記磁石は、前記回転軸に実質的に直交する第１面及びそれに対向する第２面と、周方向の全周に亘って連続する凹側面とを有し、前記凹側面によって囲まれる空間内に前記回転軸に直交し、前記回転軸を中心とする円形の仮想平面を設定したときに、前記磁気センサ部は、前記凹側面によって囲まれる空間内であって、前記仮想平面上における径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅が互いに実質的に同一となる位置に設けられ、少なくとも前記径方向の磁場強度Ｈ_r及び前記周方向の磁場強度Ｈ_θのいずれか一方を前記センサ信号として出力することを特徴とする回転角度検出装置を提供する（発明１）。

上記発明（発明１）において、前記回転軸の軸方向に沿った前記磁石の切断面において、前記凹側面は、前記磁石の径方向外側に向かって開口する略Ｕ字状、略Ｖ字状又は略コの字状であるのが好ましい（発明２）。

上記発明（発明２）において、前記回転軸の軸方向に沿った前記磁石の切断面において、前記回転軸の軸方向の一方側に位置する前記凹側面部上の点であって前記回転軸から最も遠い位置にある点を第１点とし、前記回転軸の軸方向の他方側に位置する前記凹側面部上の点であって前記回転軸から最も遠い位置にある点を第２点とし、前記凹側面部上における前記回転軸に最も近い位置にある点を第３点としたときに、前記第１点及び前記第３点を結ぶ第１直線と、前記第２点及び前記第３点を結ぶ第２直線とのなす角度が４０〜９０°であるのが好ましい（発明３）。

上記発明（発明１〜３）において、前記磁石は、前記回転軸の軸方向における前記磁石の中心点を通る、前記回転軸に直交する面を対称面とする面対称形状であるのが好ましく（発明４）、前記磁気センサ部は、前記対称面上に設けられているのがより好ましい（発明５）。

また、本発明は、回転体の回転に伴いその回転軸と一体に回転可能に設けられ、前記回転軸に直交する磁化ベクトルの成分をそれぞれ有する第１磁石及び第２磁石と、前記第１磁石及び前記第２磁石の回転に伴う磁場の変化に基づき、センサ信号を出力する磁気センサ部と、前記磁気センサ部により出力された前記センサ信号に基づき、前記回転体の回転角度を検出する回転角度検出部とを備え、前記第１磁石及び前記第２磁石は、それぞれ前記回転軸に実質的に直交する第１面を有し、相互に前記第１面を、所定の間隔を空けて対向させるようにして設けられており、前記第１磁石の前記第１面を含む第１仮想平面と前記第２磁石の前記第１面を含む第２仮想平面とにより挟まれる空間内に前記回転軸に直交し、前記回転軸を中心とする円形の第３仮想平面を設定したときに、前記磁気センサ部は、前記空間内であって、前記第３仮想平面上における径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅が互いに実質的に同一となる位置に設けられ、少なくとも前記径方向の磁場強度Ｈ_rと前記周方向の磁場強度Ｈ_θとのいずれか一方を前記センサ信号として出力することを特徴とする回転角度検出装置を提供する（発明６）。

上記発明（発明６）において、前記磁気センサ部は、前記第１仮想平面と前記第２仮想平面との間における前記回転軸の軸方向略中央に設けられているのが好ましい（発明７）。

上記発明（発明６，７）において、前記磁気センサ部は、前記第１磁石及び前記第２磁石の前記第１面の外縁部よりも前記回転軸から遠い位置に設けられているのが好ましい（発明８）。

上記発明（発明６〜８）において、前記第１磁石及び前記第２磁石は、前記回転軸の軸方向における前記各第１面間の中心点を通る、前記回転軸に直交する平面を対称面とする面対称形状であるのが好ましい（発明９）。

上記発明（発明６〜９）において、前記回転軸に直交する平面を設定し、前記第１磁石の磁化方向及び前記第２磁石の磁化方向をそれぞれ第１矢印及び第２矢印により表し、前記平面上に前記第１矢印及び前記第２矢印を投影したときに、前記平面上に前記第１矢印が投影された第１投影矢印の方向と前記第２矢印が投影された第２投影矢印の方向とは、互いに異なるのが好ましく（発明１０）、前記第１投影矢印に沿った第１線分と前記第２投影矢印に沿った第２線分とのなす角度が、（１８０／(Ｎ＋１))°又は１８０×Ｎ／(Ｎ＋１)）°（Ｎは１以上の整数である。）であるのが好ましい（発明１１）。

上記発明（発明１〜１１）において、前記磁気センサ部としては、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子又はＡＭＲ素子を含むものを用いることができる（発明１２）。

上記発明（発明１〜１２）において、複数の前記磁気センサ部を備え、前記複数の磁気センサ部のうちの少なくとも２つが、前記回転軸に直交する直交面上の周方向に沿って、前記回転軸を中心として実質的に（１８０／Ｍ）°（Ｍは２以上の整数である。）の間隔で配置されているのが好ましく（発明１３）、前記各磁気センサ部が、前記径方向の磁場強度Ｈ_r又は前記周方向の磁場強度Ｈ_θを前記センサ信号として出力するのが好ましい（発明１４）。

本発明によれば、径方向及び／又は周方向の磁場強度に基づき回転角度を精確に検出することが可能な回転角度検出装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す断面図である。 図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態における磁石の概略構成を示す断面図である。 図３（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態における磁石の凹側面の概略構成を示す断面図である。 図４は、本発明の第１の実施形態における磁石の他の態様（その１）を示す断面図である。 図５は、本発明の第１の実施形態における磁石の他の態様（その２）を示す断面図である。 図６は、本発明の第１の実施形態における磁石の他の態様（その３）を示す断面図である。 図７は、本発明の第１の実施形態における磁石の他の態様（その４）を示す断面図である。 図８は、本発明の第１の実施形態における磁石の他の態様（その５）を示す断面図である。 図９（Ａ）は、本発明の第１の実施形態における磁気センサ部により検出される磁場強度（径方向及び周方向の磁場強度）を示す概略図であり、図９（Ｂ）は、当該磁気センサ部により検出される磁場強度（径方向の磁場強度）の他の態様を示す概略図であり、図９（Ｃ）は、当該磁気センサ部により検出される磁場強度（周方向の磁場強度）の他の態様を示す概略図である。 図１０は、本発明の第１の実施形態における磁石の凹側面により囲まれる空間内における径方向及び周方向の磁場強度を概念的に示す図である。 図１１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態における磁石と磁気センサ配置可能領域とを概略的に示す斜視図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の断面図である。 本発明の第１及び第２の実施形態に係る回転角度検出装置において検出される磁場強度の振幅を示すグラフである。 図１３は、本発明の第１及び第２の実施形態における磁気センサ部の回路構成の一の態様を概略的に示す回路図である。 図１４は、本発明の第１及び第２の実施形態における磁気検出素子としてのＭＲ素子の概略構成を示す斜視図である。 図１５は、本発明の第１及び第２の実施形態における回転角度検出部の回路構成の一態様を概略的に示す回路図である。 図１６は、本発明の第２の実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す断面図である。 図１７は、本発明の第２の実施形態における磁石の概略構成を示す側面図である。 図１８は、本発明の第２の実施形態における第１磁石の磁化方向と第２磁石の磁化方向とを示す第１の磁石の第２面側から見た概略図である。 図１９は、本発明の第２の実施形態における磁石の他の態様（その１）を示す断面図である。 図２０は、本発明の第２の実施形態における磁石の他の態様（その２）を示す断面図である。 図２１は、本発明の第１の実施形態における磁石の他の態様（その３）を示す断面図である。 図２２は、本発明の第１の実施形態における磁石の他の態様（その４）を示す断面図である。 図２３（Ａ）は、本発明の第１の実施形態における磁石と磁気センサ配置可能領域とを概略的に示す斜視図であり、図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）の断面図である。 図２４は、実施例１のシミュレーション結果を示す図である。 図２５は、実施例２のシミュレーション結果を示す図である。 図２６は、実施例３のシミュレーション結果を示す図である。 図２７は、実施例４のシミュレーション結果を示す図である。 図２８は、実施例５のシミュレーション結果を示す図である。 図２９は、比較例１のシミュレーション結果を示す図である。 図３０は、試験例１のシミュレーション結果を示すグラフである。 図３１は、従来の回転角度検出装置の概略構成を示す断面図（その１）である。 図３２は、従来の回転角度検出装置の概略構成を示す断面図（その２）である。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、第１の実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す断面図であり、図２は、第１の実施形態における磁石の概略構成を示す断面図である。

図１に示すように、第１の実施形態に係る回転角度検出装置１は、シャフト５に支持・固定され、シャフト５と一体に回転する磁石２と、磁石２の回転に伴う磁場の方向の変化に基づいてセンサ信号を出力する磁気センサ部３と、磁気センサ部３により出力されたセンサ信号に基づき、回転体の回転角度を検出する回転角度検出部４（図１５参照）とを備える。

磁石２は、シャフト５の回転軸Ｃ（軸心）に実質的に直交する第１面２Ａと、第１面２Ａに対向する第２面２Ｂと、周方向の全周に亘って連続する凹側面２Ｃを有し、磁石２の第１面２Ａ及び第２面２Ｂの重心（中心）とシャフト５の回転軸Ｃとを一致させるようにして、シャフト５に支持・固定されている。なお、磁石２は、シャフト５の回転軸Ｃに直交する方向（第１面２Ａ及び第２面２Ｂの面内方向）に磁化されている。第１の実施形態において、回転軸Ｃに直交する方向に磁化されている磁石２を例に挙げるが、このような態様に限定されるものではない。例えば、磁石２は、回転軸Ｃに直交する方向の磁化ベクトル成分を有するものであればよいが、磁石２の磁化方向が回転軸Ｃに実質的に直交するもの（磁化方向の回転軸Ｃに対する角度が９０±１０°程度）が好適である。

第１の実施形態において、磁石２における凹側面２Ｃの形状は、シャフト５の回転軸Ｃを含む平面にて磁石２を切断したときの断面において、磁石２の径方向外側に向かって開口する略Ｕ字状である（図１及び図２（Ａ）参照）が、このような態様に限定されるものではなく、例えば、略Ｖ字状（図２（Ｂ）参照）、略コの字状（図２（Ｃ）参照）であってもよい。当該形状が略Ｕ字状、略Ｖ字状又は略コの字状であることで、後述するように、当該凹側面２Ｃによって囲まれる空間内に回転軸Ｃに直交し、回転軸Ｃを中心とする円形の仮想平面Ｖｆを設定したときに、当該仮想平面Ｖｆ上の所定の位置における径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅が互いに実質的に同一となる領域が形成される。仮想平面Ｖｆは、磁石２の凹側面２Ｃによって囲まれる空間内を通るように任意に設定される平面である。

磁石２の厚さＴ₂は、特に限定されるものではなく、例えば、５〜１５ｍｍ程度に設定され得る。磁石２の厚さＴ₂が５ｍｍ未満であると、円形の仮想平面Ｖｆ上の所定の位置における径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅が小さくなり、回転角度の検出感度が低下してしまうおそれがあり、１５ｍｍを超えると、回転角度検出装置１の製造コストを低減させるのが困難となるおそれがある。

図２に示すように、第１の実施形態における磁石２は、第１面２Ａを含む第１大径部２１と、第２面２Ｂを含む第２大径部２２と、凹側面２Ｃ及び最小径部２_MIN（凹側面２Ｃ上におけるシャフト５に最も近い部分）を含み、第１大径部２１及び第２大径部２２の間に位置する小径部２３とにより構成される。

図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、回転軸Ｃを含む平面にて磁石２を切断したときの断面において、回転軸Ｃの軸方向の一方側（磁石２の第１面２Ａ側，図３（Ａ）〜（Ｃ）中の上側）に位置する凹側面２Ｃ上の点であって、回転軸Ｃから最も遠い位置にある点を第１点Ｐ１とし、回転軸Ｃの軸方向の他方側（磁石２の第２面２Ｂ側，図３（Ａ）〜（Ｃ）中の下側）に位置する凹側面２Ｃ上の点であって、回転軸Ｃから最も遠い位置にある点を第２点Ｐ２とする。そして、凹側面２Ｃ上における回転軸Ｃに最も近い位置にある点を第３点Ｐ３とする。なお、磁石２の凹側面２Ｃが略コの字状である場合（図３（Ｃ）参照）、第３点Ｐ３は、凹側面２Ｃのうちの回転軸Ｃに略平行な側面２Ｃａ上における回転軸Ｃの軸方向の中央に位置する点である。

このとき、第１点Ｐ１及び第３点Ｐ３を結ぶ第１直線Ｌ１と、第２点Ｐ２及び第３点Ｐ３を結ぶ第２直線Ｌ２とのなす角度θ₁₂は、４０〜９０°であるのが好ましい。当該角度θ₁₂が４０°未満であると、凹側面２Ｃによって囲まれる空間内における径方向の磁場強度Ｈ_rの振幅と周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅とに差異が生じ、回転角度の検出誤差が大きくなるおそれがある。当該角度θ₁₂が９０°を超えると、凹側面２Ｃ近傍の磁性体に由来する径方向の磁場強度Ｈ_rが強くなり、径方向の磁場強度Ｈ_rの振幅と周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅とに差異が生じるおそれがある。また、磁石２の体積が大きくなってしまい、製造コストの増大を招くおそれがある。一方、角度θ₁₂が上記範囲内であれば、円形の仮想平面Ｖｆ上の所定の位置における径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅を互いに実質的に同一にすることができる。なお、最小径部２_MINの直径Ｄ_MINは、例えば、１０〜２０ｍｍ程度に、最大径部２_MAXの直径Ｄ_MAXは、例えば、１０〜５０ｍｍ程度に設定され得る。

図２に示すように、第１の実施形態における磁石２は、シャフト５の回転軸Ｃの軸方向における磁石２の中心点（シャフト５の回転軸Ｃの軸方向における第１面２Ａと第２面２Ｂとの間の中間点）Ｃｐを通る、回転軸Ｃに直交する面Ｓｆを対称面とする面対称形状である。磁石２がこのような面対称形状であることで、断面略Ｕ字形状、略Ｖ字状、略コの字状の凹側面２Ｃにて囲まれる空間内に、円形の仮想平面Ｖｆ上の所定の位置における径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅が互いに実質的に同一となる領域を形成することができる。

なお、第１の実施形態における磁石２は、図１及び図２に示す態様に限定されるものではない。例えば、第１大径部２１及び第２大径部２２が、それぞれ磁石２の最外縁部よりも磁石２の径方向内側の位置から又は当該最外縁部から第１面２Ａ側及び第２面２Ｂ側に向けて傾斜面２Ｄ，２Ｅを介して傾斜しながら突出する構造であってもよい（図４〜５，図７〜８参照）。また、第１大径部２１及び第２大径部２２が、厚さを実質的に有しない構造であってもよい（図６参照）。

第１の実施形態における磁気センサ部３は、円形の仮想平面Ｖｆ上の所定の位置における径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅が互いに実質的に同一である位置に設けられている。なお、本実施形態においては、図９（Ａ）に示すように、径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θを検出可能な１個の磁気センサ部３を備える態様を例に挙げるが、この態様に限定されるものではない。例えば、図９（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、シャフト５の回転軸Ｃを中心として９０°の間隔で配置されてなる２個の磁気センサ部３を備えていてもよい。この場合において、２個の磁気センサ部３のそれぞれが径方向の磁場強度Ｈ_rを検出するものであってもよいし（図９（Ｂ）参照）、周方向の磁場強度Ｈ_θを検出するものであってもよい（図９（Ｃ）参照）。また、複数の磁気センサ部３が設けられる場合において、複数の磁気センサ部３のうちの少なくとも２つは、シャフト５の回転軸Ｃを中心として実質的に（１８０／Ｍ）°（Ｍは２以上の整数、好ましくは２〜５の整数である。）の間隔で設けられていればよい。磁気センサ部３から出力される信号には、Ｍ次の高周波誤差成分が含まれるが、回転軸Ｃを中心とした（１８０／Ｍ）°の間隔で磁気センサ部３が設けられることで、当該Ｍ次の高周波誤差成分を除去することができるため、回転角度の検出誤差をより低減することができる

第１の実施形態において、磁石２の凹側面２Ｃによって囲まれる空間内において、円形の仮想平面Ｖｆ上における径方向の磁場強度Ｈ_rは、磁石２の第１面２Ａを含む第１大径部２１により生成される径方向の磁場Ｍ_r21と、第２面２Ｂを含む第２大径部２２により生成される径方向の磁場Ｍ_r22と、最小径部２_MINを含む小径部２３により生成される径方向の磁場Ｍ_r23との和として扱うことができる。また、周方向の磁場強度Ｈ_θは、第１大径部２１により生成される周方向の磁場Ｍ_θ21と、第２大径部２２により生成される周方向の磁場Ｍ_θ22と、小径部２３により生成される周方向の磁場Ｍ_θ23との和として扱うことができる（図１０参照）。

第１の実施形態のように磁石２の面内方向に磁化されている場合、円形の仮想平面Ｖｆ上における径方向の磁場強度Ｈ_rの大きさ、Ｎ極側端部ＮＰ近傍及びＳ極側端部ＳＰ近傍のそれぞれにおいて最大になり、Ｎ極側端部ＮＰ及びＳ極側端部ＳＰのそれぞれからシャフト５を中心に９０°回転した位置において最小になる。一方、周方向の磁場強度Ｈ_θの大きさ、Ｎ極側端部ＮＰ及びＳ極側端部ＳＰのそれぞれからシャフト５を中心に９０°回転した位置において最大になり、Ｎ極側端部ＮＰ近傍及びＳ極側端部ＳＰ近傍のそれぞれにおいて最小になる。

第１の実施形態において、Ｎ極側端部ＮＰ及びＳ極側端部ＳＰのそれぞれにおける、第１大径部２１及び第２大径部２２により生成される径方向の磁場Ｍ_r21，Ｍ_r22の方向は磁石２の磁化方向ＤＭと反平行であるが、小径部２３により生成される径方向の磁場Ｍ_r23の方向は磁石２の磁化方向ＤＭと平行である。そして、小径部２３により生成される径方向の磁場Ｍ_r23の大きさ（磁場強度Ｈ_r23）は、第１大径部２１及び第２大径部２２により生成される径方向の磁場Ｍ_r21，Ｍ_r22の大きさ（磁場強度Ｈ_r21，Ｈ_r22）よりも小さい（Ｈ_r23＜Ｈ_r21，Ｈ_r22）。なお、図１０において、各磁場Ｍ_r21，Ｍ_r22，Ｍ_r23，Ｍ_θ21，Ｍ_θ22，Ｍ_θ23の大きさ（磁場強度Ｈ_r21，Ｈ_r22，Ｈ_r23，Ｈ_θ21，Ｈ_θ22，Ｈ_θ23）は、矢印の長さにより表されている。

一方、Ｎ極側端部ＮＰ及びＳ極側端部ＳＰからシャフト５を中心に９０°回転した位置における第１大径部２１及び第２大径部２２により生成される周方向の磁場Ｍ_θ21，Ｍ_θ22の方向、並びに小径部２３により生成される周方向の磁場Ｍ_θ23の方向は、ともに磁石２の磁化方向ＤＭと反平行であって、各磁場Ｍ_θ21，Ｍ_θ22，Ｍ_θ23の大きさ（磁場強度Ｈ_θ21，Ｈ_θ22，Ｈ_θ23）は、Ｎ極側端部ＮＰ及びＳ極側端部ＳＰにおける第１大径部２１及び第２大径部２２、並びに小径部２３により生成される径方向の磁場Ｍ_r21，Ｍ_r22，Ｍ_r23の大きさ（磁場強度Ｈ_r21，Ｈ_r22，Ｈ_r23）よりも小さい（Ｈ_r21＞Ｈ_θ21，Ｈ_r22＞Ｈ_θ22，Ｈ_r23＞Ｈ_θ23）。これにより、径方向の磁場強度Ｈ_rの振幅と、周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅とは、実質的に同一となる。

上述したように、第１の実施形態における磁石２の凹側面２Ｃによって囲まれる空間においては、円形の仮想平面Ｖｆ上の所定の位置における径方向及び周方向の磁場強度Ｈ_r，Ｈ_θの振幅が互いに実質的に同一となる領域（磁気センサ配置可能領域６）が生成される（図１１（Ａ）及び（Ｂ）参照）。特に、磁石２の中心点Ｃｐを通る、シャフト５の回転軸Ｃに直交する面Ｓｆ（対称面）上において、径方向及び周方向の磁場強度Ｈ_r，Ｈ_θの振幅がより一致する。したがって、この磁気センサ配置可能領域６に磁気センサ部３を設けることで、円形の仮想平面Ｖｆ上の所定の位置における径方向の磁場強度Ｈ_rの振幅と、周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅とを実質的に同一にすることができるため（図１２参照）、第１の実施形態に係る回転角度検出装置１による回転角度の検出誤差を低減することができる。

第１の実施形態における磁気センサ部３は、少なくとも１つの磁気検出素子を含む。磁気センサ部３は、少なくとも１つの磁気検出素子として、直列に接続された一対の磁気検出素子を含んでいてもよい。この場合において、磁気センサ部３は、直列に接続された第１の一対の磁気検出素子と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子とを含む、第１及び第２の検出回路を有する。

図１３に示すように、磁気センサ部３が有する第１の検出回路３１は、電源ポートＶ１と、グランドポートＧ１と、２つの出力ポートＥ１１，Ｅ１２と、第１のホイートストンブリッジ回路３１１とを有する。第１のホイートストンブリッジ回路３１１は、直列に接続された第１の一対の磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１２を含む第１の信号生成部３１Ａと、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子Ｒ１３，Ｒ１４を含む第２の信号生成部３１Ｂとを有する。磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１３の接続点Ｊ１２は電源ポートＶ１に接続されている。磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１２の接続点Ｊ１１は出力ポートＥ１１に接続されている。磁気検出素子Ｒ１３，Ｒ１４の接続点Ｊ１４は出力ポートＥ１２に接続されている。磁気検出素子Ｒ１２，Ｒ１４の接続点Ｊ１３はグランドポートＧ１に接続されている。電源ポートＶ１には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ１はグランドに接続される。第１の信号生成部３１Ａにより生成された第１の信号Ｓ１が出力ポートＥ１１から出力され、第２の信号生成部３１Ｂにより生成された第２の信号Ｓ２が出力ポートＥ１２から出力される。

また、磁気センサ部３が有する第２の検出回路３２は、電源ポートＶ２と、グランドポートＧ２と、２つの出力ポートＥ２１，Ｅ２２と、第２のホイートストンブリッジ回路３１２とを有する。第２のホイートストンブリッジ回路３１２は、直列に接続された第３の一対の磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２２を含む第３の信号生成部３２Ａと、直列に接続された第４の一対の磁気検出素子Ｒ２３，Ｒ２４を含む第４の信号生成部３２Ｂとを有する。磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２３の接続点Ｊ２２は電源ポートＶ２に接続されている。磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２２の接続点Ｊ２１は出力ポートＥ２１に接続されている。磁気検出素子Ｒ２３，Ｒ２４の接続点Ｊ２４は出力ポートＥ２２に接続されている。磁気検出素子Ｒ２２，Ｒ２４の接続点Ｊ２３はグランドポートＧ２に接続されている。電源ポートＶ２には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ２はグランドに接続される。第３の信号生成部３２Ａにより生成された第３の信号Ｓ３が出力ポートＥ２１から出力され、第４の信号生成部３２Ｂにより生成された第４の信号Ｓ４が出力ポートＥ２２から出力される。

第１の実施形態において、第１及び第２の検出回路３１，３２に含まれるすべての磁気検出素子Ｒ１１〜Ｒ１４，Ｒ２１〜Ｒ２４として、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いることができ、特にＴＭＲ素子を用いるのが好ましい。ＴＭＲ素子及びＧＭＲ素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、印加される磁界の方向に応じて磁化方向が変化する自由層と、磁化固定層及び自由層の間に配置される非磁性層とを有する。

具体的には、図１４に示すように、ＴＭＲ素子及びＧＭＲ素子は、複数の下部電極６１と、複数のＭＲ膜５０と、複数の上部電極６２とを有する。複数の下部電極６１は、基板（図示せず）上に設けられている。各下部電極６１は細長い形状を有する。下部電極６１の長手方向に隣接する２つの下部電極６１の間には、間隙が形成されている。下部電極６１の上面における、長手方向の両端近傍にそれぞれＭＲ膜５０が設けられている。ＭＲ膜５０は、下部電極６１側から順に積層された自由層５１、非磁性層５２、磁化固定層５３及び反強磁性層５４を含む。自由層５１は、下部電極６１に電気的に接続されている。反強磁性層５４は、反強磁性材料により構成され、磁化固定層５３との間で交換結合を生じさせることで、磁化固定層５３の磁化の方向を固定する役割を果たす。複数の上部電極６２は、複数のＭＲ膜５０上に設けられている。各上部電極６２は細長い形状を有し、下部電極６１の長手方向に隣接する２つの下部電極６１上に配置され、隣接する２つのＭＲ膜５０の反強磁性層５４同士を電気的に接続する。なお、ＭＲ膜５０は、上部電極６２側から順に自由層５１、非磁性層５２、磁化固定層５３及び反強磁性層５４が積層されてなる構成を有していてもよい。

ＴＭＲ素子においては、非磁性層５２はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子においては、非磁性層５２は非磁性導電層である。ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子において、自由層５１の磁化の方向が磁化固定層５３の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°（互いの磁化方向が平行）のときに抵抗値が最小となり、１８０°（互いの磁化方向が反平行）のときに抵抗値が最大となる。

図１３において、磁気検出素子Ｒ１１〜Ｒ１４の磁化固定層の磁化方向を塗りつぶした矢印で表す。第１の検出回路３１において、磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１４の磁化固定層５３の磁化方向と、磁気検出素子Ｒ１２，Ｒ１３の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに反平行方向であり、磁石２の径方向に直交する。

第１の信号生成部３１Ａにおいて、磁石２の回転により径方向の磁場強度Ｈ_rが変化すると、それに応じて磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１２の自由層５１の磁化方向が変化し、当該自由層５１の磁化方向と磁化固定層５３の磁化方向との相対角度に基づいて、接続点Ｊ１１の電位が変化する。また、第２の信号生成部３１Ｂにおいても同様に、磁気検出素子Ｒ１３，Ｒ１４の自由層５１の磁化方向と磁化固定層５３の磁化方向との相対角度に基づいて、接続点Ｊ１４の電位が変化する。したがって、第１の信号生成部３１Ａは、径方向の磁場強度Ｈ_rに対応した第１の信号Ｓ１を生成し、第１の信号Ｓ１は出力ポートＥ１１から出力される。第２の信号生成部３１Ｂは、径方向の磁場強度Ｈ_rに対応した第２の信号Ｓ２を生成し、第２の信号Ｓ２は出力ポートＥ１２から出力される。

同様に、図１３において、磁気検出素子Ｒ２１〜Ｒ２４の磁化固定層の磁化方向を塗りつぶした矢印で表す。第２の検出回路３２において、磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２４の磁化固定層５３の磁化方向と、磁気検出素子Ｒ２２，Ｒ２３の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに反平行方向であり、磁石２の磁化方向ＤＭに平行である。

第３の信号生成部３２Ａにおいて、磁石２の回転により周方向の磁場強度Ｈ_θが変化すると、それに応じて磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２２の自由層５１の磁化方向が変化し、当該自由層５１の磁化方向と磁化固定層５３の磁化方向との相対角度に基づいて、接続点Ｊ２１の電位が変化する。また、第４の信号生成部３２Ｂにおいても同様に、磁気検出素子Ｒ２３，Ｒ２４の自由層５１の磁化方向と磁化固定層５３の磁化方向との相対角度に基づいて、接続点Ｊ２４の電位が変化する。したがって、第３の信号生成部３２Ａは、磁石２の周方向の磁場強度Ｈ_θに対応した第３の信号Ｓ３を生成し、第３の信号Ｓ３は出力ポートＥ２１から出力される。第４の信号生成部３２Ｂは、磁石２の周方向の磁場強度Ｈ_θに対応した第４の信号Ｓ４を生成し、第４の信号Ｓ４は出力ポートＥ２２から出力される。

第１の実施形態における回転角度検出部４は、図１５に示すように、第１の演算回路４１と、第２の演算回路４２と、第３の演算回路４３とを有し、第１〜第４の信号Ｓ１〜Ｓ４に基づいて、回転角度検出値θｓを生成する。

第１の演算回路４１の２つの入力端には、それぞれ出力ポートＥ１１，Ｅ１２が接続されている。第２の演算回路４２の２つの入力端には、それぞれ出力ポートＥ２１，Ｅ２２が接続されている。第３の演算回路４３の２つの入力端には、それぞれ第１及び第２の演算回路４１，４２の各出力端が接続されている。

第１の演算回路４１は、第１及び第２の信号Ｓ１，Ｓ２に基づき、第１の演算後信号Ｓａ１を生成する。第２の演算回路４２は、第３及び第４の信号Ｓ３，Ｓ４に基づき、第２の演算後信号Ｓａ２を生成する。第３の演算回路４３は、第１及び第２の演算後信号Ｓａ１，Ｓａ２に基づき、回転角度検出値θｓを算出する。

第１の演算後信号Ｓａ１は、第１の信号Ｓ１と第２の信号Ｓ２との差分（Ｓ１−Ｓ２）を求める演算によって生成される。第２の演算後信号Ｓａ２は、第３の信号Ｓ３と第４の信号Ｓ４との差分（Ｓ３−Ｓ４）を求める演算によって生成される。

第３の演算回路４３は、正規化回路Ｎ１〜Ｎ４と、加算回路４３Ａと、減算回路４３Ｂと、演算部４３Ｃとを有する。正規化回路Ｎ１〜Ｎ４は、それぞれ入力端と出力端とを有する。加算回路４３Ａ、減算回路４３Ｂ及び演算部４３Ｃは、それぞれ２つの入力端と１つの出力端とを有する。

正規化回路Ｎ１の入力端には、第１演算回路４１の出力端が接続されている。正規化回路Ｎ２の入力端には、第２演算回路４２の出力端が接続されている。加算回路４３Ａの２つの入力端には、それぞれ正規化回路Ｎ１，Ｎ２の各出力端が接続されている。減算回路４３Ｂの２つの入力端には、それぞれ正規化回路Ｎ１，Ｎ２の各出力端が接続されている。正規化回路Ｎ３の入力端には、加算回路４３Ａの出力端が接続され、正規化回路Ｎ４の入力端には、減算回路４３Ｂの出力端が接続されている。演算部４３Ｃの２つの入力端には、それぞれ正規化回路Ｎ３，Ｎ４の各出力端が接続されている。

正規化回路Ｎ１は、第１の演算後信号Ｓａ１を正規化した値を加算回路４３Ａ及び減算回路４３Ｂに出力する。正規化回路Ｎ２は、第２の演算後信号Ｓａ２を正規化した値を加算回路４３Ａ及び減算回路４３Ｂに出力する。正規化回路Ｎ１，Ｎ２は、例えば、第１及び第２の演算後信号Ｓａ１，Ｓａ２の最大値がともに１になり、最小値がともに−１になるように、第１及び第２の演算後信号Ｓａ１，Ｓａ２を正規化する。本実施形態において、第１の演算後信号Ｓａ１を正規化した値は、ｓｉｎ(θ＋π／４)となり、第２の演算後信号Ｓａ２を正規化した値は、ｓｉｎ(θ−π／４)となる。なお、θは、接続点Ｊ１２，１４を結ぶ線分と外部磁場とのなす角度である。

加算回路４３Ａは、第１の演算後信号Ｓａ１を正規化した値と第２の演算後信号Ｓａ２を正規化した値との和を求める演算を行い、加算信号Ｓ１１を生成する。減算回路４３Ｂは、第１の演算後信号Ｓａ１を正規化した値と第２の演算後信号Ｓａ２を正規化した値との差を求める演算を行い、減算信号Ｓ１２を生成する。加算信号Ｓ１１及び減算信号Ｓ１２は、下記式により表される。

Ｓ１１＝ｓｉｎ(θ−π／４)＋ｓｉｎ(θ＋π／４)
＝２ｓｉｎθ・ｃｏｓ(−π／４)
＝１．４１ｓｉｎθ
Ｓ１２＝ｓｉｎ(θ＋π／４)−ｓｉｎ(θ−π／４)
＝２ｃｏｓθ・ｓｉｎ(π／４)
＝１．４１ｃｏｓθ

正規化回路Ｎ３は、加算信号Ｓ１１を正規化した値Ｓ２１を演算部４３Ｃに出力する。正規化回路Ｎ４は、減算信号Ｓ１２を正規化した値Ｓ２２を演算部４３Ｃに出力する。正規化回路Ｎ３，Ｎ４は、例えば、加算信号Ｓ１１及び減算信号Ｓ１２の最大値がともに１になり、最小値がともに−１になるように、加算信号Ｓ１１及び減算信号Ｓ１２を正規化する。本実施形態において、加算信号Ｓ１１を正規化した値Ｓ２１はｓｉｎθとなり、減算信号Ｓ１２を正規化した値Ｓ２２はｃｏｓθとなる。

演算部４３Ｃは、値Ｓ２１，Ｓ２２に基づいて、角度θと対応関係を有する回転角度検出値θｓを算出する。例えば、演算部４３Ｃは、下記式により、回転角度検出値θｓを算出する。
θｓ＝ａｒｃｔａｎ(Ｓ２１／Ｓ２２)

回転角度検出値θｓが０°以上３６０°未満の範囲内において、上記式による回転角度検出値θｓの解には、１８０°異なる２つの値がある。しかし、値Ｓ２１，Ｓ２２の正負の組み合わせにより、回転角度検出値θｓの真の値が、２つの解のいずれであるかを判別することができる。すなわち、値Ｓ２１が正の値のとき、回転角度検出値θｓは０°よりも大きく１８０°よりも小さい。値Ｓ２１が負の値のとき、回転角度検出値θｓは１８０°よりも大きく３６０°よりも小さい。値Ｓ２２が正の値のとき、回転角度検出値θｓは０°以上９０°未満、及び２７０°より大きく３６０°以下の範囲内である。値Ｓ２２が負の値のとき、回転角度検出値θｓは９０°よりも大きく２７０°よりも小さい。演算部４３Ｃは、上記式により求めた回転角度検出値θｓと、値Ｓ２１，Ｓ２２の正負の組み合わせとにより、０°以上３６０°未満の範囲内で回転角度検出値θｓの真の値を求めることができる。

上述したように、第１の実施形態に係る回転角度検出装置１においては、磁石２の凹側面２Ｃによって囲まれる空間内において、径方向及び周方向の磁場強度Ｈ_r，Ｈ_θの振幅が実質的に同一となる領域（磁気センサ配置可能領域６）が形成される。そして、この磁気センサ配置可能領域６に磁気センサ部３が設けられているため、回転角度の検出誤差を低減することができる。また、径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θにより回転角度を算出するように構成され、磁気センサ配置可能領域６が磁気センサ部３に比して十分に大きいため、シャフト５の軸ブレによる回転角度の検出誤差が生じるのを抑制することができる。さらに、径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θにより回転角度検出値θｓが算出されるため、磁石２の体積を低減することも可能となる。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１６は、第２の実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す断面図であり、図１７は、第２の実施形態における磁石の要部を示す部分拡大側面図である。なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略するものとする。

図１６に示すように、第２の実施形態に係る回転角度検出装置１’は、シャフト５に支持・固定され、シャフト５と一体に回転する第１磁石２１’及び第２磁石２２’と、第１磁石２１’及び第２磁石２２’の回転に伴う磁場の変化に基づいてセンサ信号を出力する磁気センサ部３と、磁気センサ部３により出力されたセンサ信号に基づき、回転体の回転角度を検出する回転角度検出部４（図１５参照）とを備える。

第１磁石２１’は、シャフト５の回転軸Ｃ（軸心）に実質的に直交する第１面２１Ａ’と、第１面２１Ａ’に対向する第２面２１Ｂ’とを有し、シャフト５の回転軸Ｃの軸方向に沿って見たときに第１面２１Ａ’及び第２面２１Ｂ’は略円形状であり、第１面２１Ａ’は第２面２１Ｂ’を物理的に包含する大きさである。

第２磁石２２’は、シャフト５の回転軸Ｃ（軸心）に実質的に直交する第１面２２Ａ’と、第１面２２Ａ’に対向する第２面２２Ｂ’とを有し、シャフト５の回転軸Ｃの軸方向に沿って見たときに第１面２２Ａ’及び第２面２２Ｂ’は略円形状であり、第１面２２Ａ’は第２面２２Ｂ’を物理的に包含する大きさである。

第１磁石２１’及び第２磁石２２’は、それぞれの第１面２１Ａ’，２２Ａ’及び第２面２１Ｂ’２２Ｂ’の重心（中心）とシャフト５の回転軸Ｃとを一致させ、かつ各第１面２１Ａ’，２２Ａ’を、所定の間隔を空けて対向させるようにして、シャフト５に支持・固定されている。

第１磁石２１’及び第２磁石２２’は、シャフト５の回転軸Ｃに直交する方向（第１面２１Ａ’，２２Ａ’及び第２面２１Ｂ’，２２Ｂ’の面内方向）に磁化されている。なお、第２の実施形態において、回転軸Ｃに直交する方向に磁化されている第１磁石２１’及び第２磁石２２’を例に挙げるが、このような態様に限定されるものではない。例えば、第１磁石２１’及び第２磁石２２’は、回転軸Ｃに直交する方向の磁化ベクトル成分を有するものであればよいが、第１磁石２１’及び第２磁石２２’の磁化方向が回転軸Ｃに実質的に直交するもの（磁化方向の回転軸Ｃに対する角度が９０±１０°程度）が好適である。

回転軸Ｃに直交する平面を設定し、第１磁石２１’の磁化方向を表す第１矢印ＤＭ_21'と第２磁石２２’の磁化方向を表す第２矢印ＤＭ_22'とを当該平面上に投影したときに、当該平面上に投影された第１矢印ＤＭ_21'の方向と第２矢印ＤＭ_22'の方向とは、互いに同一であってもよいが、図１８に示すように、互いに異なるのがより好ましく、当該平面上に投影された第１矢印ＤＭ_21'に沿った第１線分と第２矢印ＤＭ_22'に沿った第２線分とのなす角度θ_DM（回転軸Ｃに平行な方向から見たときの角度）は、好適には（１８０／(Ｎ＋１)）°又は（１８０×Ｎ／(Ｎ＋１)）°（Ｎは１以上の整数である。）である。磁気センサ部３にかかる径方向の磁場Ｍ_rと周方向の磁場Ｍ_θとから、磁気センサ部３にかかる磁場角度θ_Mは、式「θ_M＝ａｒｃｔａｎ(Ｍ_θ／Ｍ_r)」により定義される。そして、シャフト５に設けられた第１及び第２磁石２１’，２２’の回転角度θと磁場角度θ_Mとが同一であることが、回転角度検出装置１において理想的である。しかし、実際には、第１及び第２磁石２１’，２２’による各磁場の高次成分の影響により、磁気センサ部３にかかる磁場（Ｍ_r、Ｍ_θ）に歪みが生じ、磁気センサ部３により検出される回転角度に誤差が生じてしまう。しかしながら、上記平面上に投影された第１矢印ＤＭ_21'に沿った第１線分と第２矢印ＤＭ_22'に沿った第２線分とが所定の角度θ_DMを形成していることで、第１及び第２磁石２１’，２２’による磁場の高次成分を相互に打ち消すことができるため、磁気センサ部３により検出される回転角度誤差を低減することができる。

第２の実施形態における第１磁石２１’及び第２磁石２２’は、第１面２１Ａ’，２２Ａ’を有する基部２１１’，２２１’と、第２面２１Ｂ’，２２Ｂ’を有し、基部２１１’，２２１’から第２面２１Ｂ’，２２Ｂ’側に向けて突出する凸部２１２’，２２２’とを有する。基部２１１’，２２１’は、第１面２１Ａ’，２２Ａ’の外周縁部２１Ｅ’，２２Ｅ’に連続し、シャフト５の回転軸Ｃに実質的に平行な側面２１Ｃ’，２２Ｃ’（図１７参照）を有する。凸部２１２’，２２２’は、基部２１１’，２２１’の側面２１Ｃ’，２２Ｃ’よりも第１磁石２１’及び第２磁石２２’の径方向内方の位置Ｐ_21'，Ｐ_22'（図１７参照）から第２面２１Ｂ’，２２Ｂ’側に向けて突出しており、第１磁石２１’及び第２磁石２２’の径方向内方に所定の角度θ_21D'，θ_22D'で傾斜する傾斜側面２１Ｄ’，２２Ｄ’を有する。

第１磁石２１’及び第２磁石２２’の基部２１１’，２２１’の厚さＴ_211'，Ｔ_221'は、特に限定されるものではなく、例えば、１〜４ｍｍ程度に設定され得る。凸部２１２’，２２２’の厚さＴ_212'，Ｔ_222'もまた、特に限定されるものではなく、例えば、１〜４ｍｍ程度に設定され得る。

第１磁石２１’及び第２磁石２２’の第２面２１Ｂ’，２２Ｂ’の直径Ｄ_21B'，Ｄ_22B'と第１面２１Ｂ’，２２Ｂ’の直径Ｄ_21B'，Ｄ_22B'との比は、１：２以上であるのが好ましい。それらの比が上記範囲内であれば、第１磁石２１’及び第２磁石２２’の回転に伴って磁気センサ部３により検出される、径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅を互いに実質的に同一にすることができる。なお、第２面２１Ｂ’，２２Ｂ’の直径Ｄ_21B'，Ｄ_22B'は、例えば、８〜２０ｍｍ程度に、第１面２１Ａ’，２２Ａ’の直径Ｄ_21A'，Ｄ_22A'は、例えば、１６〜４０ｍｍ程度に設定され得る。

基部２１１’，２２１’の側面２１Ｃ’，２２Ｃ’から凸部２１２’，２２２’の傾斜側面２１Ｄ’，２２Ｄ’の立ち上がり位置（第１磁石２１’及び第２磁石２２’の径方向内方の位置Ｐ_21'，Ｐ_22'）までの長さＬ_21'，Ｌ_22'（第１磁石２１’及び第２磁石２２’の径方向に沿った長さ）は、例えば、８ｍｍ以下程度、好ましくは１〜４ｍｍ程度に設定され得る。

第２の実施形態の第１磁石２１’及び第２磁石２２’において、基部２１１’，２２１’の体積Ｖ_211'，Ｖ_221'と凸部２１２’，２２２’の体積Ｖ_212'，Ｖ_222'との比（Ｖ_211'：Ｖ_212'，Ｖ_221'：Ｖ_222'）が、１： ０．２以上であるのが好ましく、１：０．２〜５であるのがより好ましく、１：０．２〜１であるのが特に好ましい。当該体積比（Ｖ_211'：Ｖ_212'，Ｖ_221'：Ｖ_222'）が上記範囲内であれば、凸部２１２’，２２２’外周円の直径Ｄ_21B'，Ｄ_22B'と基部２１１’，２２１’外周円の直径Ｄ_21A'，Ｄ_22A'との間に、径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅を互いに実質的に同一とする領域が生成される。

第２の実施形態における第１磁石２１’及び第２磁石２２’は、シャフト５の回転軸Ｃの軸方向における第１面２１Ａ’，２２Ａ’間の中心点Ｃｐ’を通る、回転軸Ｃに直交する面Ｓｆ’を対称面とする面対称形状である（図１６参照）。第１磁石２１’及び第２磁石２２’がこのような面対称形状であることで、第１面２１Ａ’を含む第１仮想平面ＶＦ１（図２３参照）と第１面２２Ａ’を含む第２仮想平面ＶＦ２（図２３参照）とによって挟まれる空間内に、回転軸Ｃに直交し、回転軸Ｃを中心とする円形の第３仮想平面ＶＦ３を設定したときに、当該第３仮想平面ＶＦ３上の所定の位置における径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅が互いに実質的に同一となる領域を形成することができる。

なお、第２の実施形態における第１磁石２１’及び第２磁石２２’は、図１６及び図１７に示す態様に限定されるものではない。例えば、図１９に示すように、第１磁石２１’及び第２磁石２２’は、第１面２１Ａ’，２２Ａ’の外周縁部に連続する側面２１Ｃ’，２２Ｃ’を含む基部２１１’，２２１’と、側面２１Ｃ’，２２Ｃ’の上端に連続する傾斜側面２１Ｄ’，２２Ｄ’及び第２面２１Ｂ’，２２Ｂ’を含む凸部２１２’，２２２’とを有する態様であってもよい。また、図２０に示すように、第１磁石２１’及び第２磁石２２’は、第１面２１Ａ’，２２Ａ’を含む基部２１１’，２２１’と、第１面２１Ａ’，２２Ａ’の外周縁部に連続する傾斜側面２１Ｄ’２２Ｄ’及び第２面２１Ｂ’，２２Ｂ’を含む凸部２１２’２２２’とを有する、断面略台形状の態様であってもよい。さらに、図２１に示すように、第１磁石２１’及び第２磁石２２’は、第１面２１Ａ’，２２Ａ’及び第１面２１Ａ’，２２Ａ’の外周縁部に連続する側面２１Ｃ’，２２Ｃ’を含む基部２１１’，２２１’と、側面２１Ｃ’，２２Ｃ’よりも第１磁石２１’及び第２磁石２２’の径方向内方の位置からシャフト５の回転軸Ｃに実質的に平行な方向に立ち上がる側面及び第２面２１Ｂ’，２２Ｂ’を含む凸部２１２’，２２２’とを有する、断面略階段形状の態様であってもよい。さらにまた、図２２に示すように、第１磁石２１’及び第２磁石２２’は、第１面２１Ａ’及びそれに対向する第２面２１Ｂ’を有する、略円板状の態様であってもよい。

第２の実施形態における磁気センサ部３は、第１磁石２１’及び第２磁石２２’の回転に伴って磁気センサ部３により検出される、径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅が互いに実質的に同一である位置に設けられている。

図２３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第２の実施形態における第１磁石２１’の第１面２１Ａ’を含む第１仮想平面ＶＦ１と第２磁石２２’の第１面２２Ａ’を含む第２仮想平面ＶＦ２とによって挟まれた空間内においては、当該空間内に回転軸Ｃに直交し、回転軸Ｃを中心とする円形の第３仮想平面ＶＦ３を設定したときに、第３仮想平面ＶＦ３上の所定の位置における径方向及び周方向の磁場強度Ｈ_r，Ｈ_θの振幅が互いに実質的に同一となる領域（磁気センサ配置可能領域６’）が生成される。

この磁気センサ配置可能領域６’は、第１磁石２１’及び第２磁石２２’の側面２１Ｃ’，２２Ｃ’よりも径方向内側の位置と、側面２１Ｃ’，２２Ｃ’よりも径方向外側の位置との間に生成される。より具体的には、径方向内側の位置は、側面２１Ｃ’，２２Ｃ’から径方向に沿って１〜１５ｍｍ程度の位置であり、径方向外側の位置は、側面２１Ｃ’，２２Ｃ’から径方向に沿って１〜５ｍｍ程度の位置である。

第２の実施形態においては、この磁気センサ配置可能領域６’に磁気センサ部３を設けることで、円形の第３仮想平面ＶＦ３上の所定の位置における磁場強度Ｈ_rの振幅と、周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅とを実質的に同一にすることができるため（図１２参照）、第２の実施形態に係る回転角度検出装置１による回転角度の検出誤差を低減することができる。

特に好ましくは、磁気センサ配置可能領域６’のうち、第１磁石２１’及び第２磁石２２’の側面２１Ｃ’，２２Ｃ’よりも径方向外側の領域に磁気センサ部３が設けられる。すなわち、磁気センサ部３は、第１磁石２１’及び第２磁石２２’により挟まれない。磁気センサ部３がこのような位置に設けられることで、回転角度検出装置１による回転角度の検出誤差を効果的に低減することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、第１及び第２の実施形態において、磁気センサ部３は、径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θのいずれか一方と、シャフト５の回転軸Ｃに沿った方向の磁場強度Ｈ_zとを検出し、径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θのいずれか一方と、シャフト５の回転軸Ｃに沿った方向の磁場強度Ｈ_zとに基づいて、回転角度検出部４により回転角度検出値θｓが算出されてもよい。

以下、実施例等を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例等に何ら限定されるものではない。

〔実施例１〕
図１、図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示す構成を有する回転角度検出装置１において、磁石２の磁場分布及びそれに基づく角度誤差分布を、有限要素法（ＦＥＭ）を用いたシミュレーションにより求めた。なお、磁石２の厚さＴ₂を１０ｍｍ、第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２とのなす角度θ₁₂を５０°とした。結果を図２４に示す。

〔実施例２〕
第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２とのなす角度θ₁₂を９０°とした以外は、実施例１と同様にして磁石２の磁場分布及びそれに基づく角度誤差分布をシミュレーションにより求めた。結果を図２５に示す。

〔実施例３〕
磁石２の厚さＴ₂を８ｍｍとし、第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２とのなす角度θ₁₂を４０°とした以外は、実施例１と同様にして磁石２の磁場分布及びそれに基づく角度誤差分布をシミュレーションにより求めた。結果を図２６に示す。

〔実施例４〕
図１６及び図１７に示す構成を有する第１磁石２１’及び第２磁石２２’を用い、第１磁石２１’及び第２磁石２２’における基部２１１’，２２１’の厚さＴ_211'，Ｔ_221'を２．２５ｍｍ、凸部２１２’，２２２’の厚さＴ_212'，Ｔ_222'を２．７５ｍｍ、側面２１Ｃ’，２２Ｃ’から立ち上がり位置Ｐ_21'，Ｐ_22'までの長さＬ_21'，Ｌ_22'を２．０ｍｍ、第１面２１Ａ’２２Ａ’の直径Ｄ_21A'，Ｄ_22A'を２８ｍｍ、第２面２１Ｂ’，Ｄ２２Ｂ’の直径Ｄ_21B'，Ｄ_22B'を１２ｍｍ、傾斜側面２１Ｄ’，２２Ｄ’の傾斜角度θ_21D'，θ_22D'を２５°、体積を１．８６ｃｍ³（基部２１１’，２２１’と凸部２１２’，２２２’との体積比（Ｖ_211'：Ｖ_212'，ｖ_221'：Ｖ_222'）＝１：０．４６）、第１磁石２１’の磁化方向ＤＭ２１’と第２磁石２２’の磁化方向ＤＭ２２’を平行とした以外は、実施例１と同様にして、第１及び第２磁石２１’，２２’による磁場分布及びそれに基づく角度誤差分布をシミュレーションにより求めた。結果を図２７に示す。

〔実施例５〕
図２２に示す構成を有する第１磁石２１’及び第２磁石２２’を用い、第１磁石２１’及び第２磁石２２’の厚さを３ｍｍ、第１面２１Ａ’，２２Ａ’及び第２面２１Ｂ’，２２Ｂ’の直径Ｄ_21A'，Ｄ_22A'，Ｄ_21B'，Ｄ_22B'を２８ｍｍ、第１磁石２１’の磁化方向ＤＭ２１’と第２磁石２２’の磁化方向ＤＭ２２’を平行とした以外は、実施例１と同様にして、第１及び第２磁石２１’，２２’による磁場分布及びそれに基づく角度誤差分布をシミュレーションにより求めた。結果を図２８に示す。

〔比較例１〕
図３１に示す構成を有する磁石２００を用い、磁石２００の厚さを３ｍｍ、第１面２０１及び第２面２０２の直径を２８ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして、磁石２００による磁場分布及びそれに基づく角度誤差分布をシミュレーションにより求めた。結果を図２９に示す。

図２４〜２９は、実施例１〜５及び比較例１のシミュレーションにより求められた、磁石２，２００、第１及び第２磁石２１’，２２’の外周縁部近傍における角度誤差分布を示す図である。図２４〜２９において、磁石２，２００、第１及び第２磁石２１’，２２’の周囲における明度の最も低い領域（濃いグレーの領域）は径方向及び周方向の磁場強度Ｈ_r，Ｈ_θが１５ｍＴ未満の領域であり、明度の最も高い領域（明るい領域）は径方向及び周方向の磁場強度Ｈ_r，Ｈ_θが２０ｍＴ以上の領域であり、それらの中間の明度の領域（薄いグレーの領域）は径方向及び周方向の磁場強度Ｈ_r，Ｈ_θ が１５ｍＴ以上２０ｍＴ未満の領域である。破線で囲まれた領域は、角度誤差が良好な領域であって、かつ磁気センサ部３により検出可能な磁場強度（磁場強度Ｈ_r，Ｈ_θ＝２０〜８０ｍＴ）を有する領域であり、磁気センサ配置可能領域６，６’となり得る領域である。

図２４〜２９に示す結果から、実施例１〜３においては、磁石２の凹側面２Ｃにより囲まれた空間内にて、径方向及び／又は周方向の磁場強度Ｈ_r，Ｈ_θに基づき回転角度を精確に検出可能であることが明らかとなった。

また、実施例４〜５においては、第１磁石２１’の第１面２１Ａ’を含む第１仮想平面ＶＦ１と第２磁石２２’の第１面２２Ａ’を含む第２仮想平面ＶＦ２とによって挟まれる空間内にて、径方向及び／又は周方向の磁場強度Ｈ_r，Ｈ_θに基づき回転角度を精確に検出可能であることが明らかとなった。また、比較例１の結果と対比すると、実施例３においては、径方向及び／又は周方向の磁場強度Ｈ_r，Ｈ_θに基づき回転角度を精確に検出可能な領域（磁気センサ配置可能領域６’）が大きくなることが確認された。

〔試験例１〕
実施例４において、回転軸Ｃに直交する平面を設定し、第１磁石２１’の磁化方向を表す第１矢印ＤＭ_21'と第２磁石２２’の磁化方向を表す第２矢印ＤＭ_22'とを当該平面上に投影したときにおける当該平面上に投影された第１矢印ＤＭ_21'に沿った第１線分と第２矢印ＤＭ_22'に沿った第２線分とのなす角度θ_DMを３０〜１５０°の範囲内で１５°間隔で変動させたときに、第１及び第２磁石２１’，２２’の回転角度θと、磁気センサ部３にかかる磁場角度θ_M（＝ａｒｃｔａｎ(Ｍ_θ／Ｍ_r)）との関係をシミュレーションにより求めた。結果を図３０に示す。

図３０に示すグラフにおいて、横軸は第１及び第２磁石２１’，２２’の回転角度θを、縦軸は磁気センサ部３にかかる磁場角度θ_Mと回転角度θとの差分（磁場角度θ_Mの回転角度θからのずれ量）を表す。図３０に示すグラフから、回転軸Ｃに直交する平面を設定し、第１磁石２１’の磁化方向を表す第１矢印ＤＭ_21'と第２磁石２２’の磁化方向を表す第２矢印ＤＭ_22'とを当該平面上に投影したときにおける当該平面上に投影された第１矢印ＤＭ_21'に沿った第１線分と第２矢印ＤＭ_22'に沿った第２線分とのなす角度θ_DMを所定の角度にすることで、回転角度θからの磁場角度θ_Mのずれ量の振幅は極小を有することが確認された。この結果から、回転軸Ｃに直交する平面を設定し、第１磁石２１’の磁化方向を表す第１矢印ＤＭ_21'と第２磁石２２’の磁化方向を表す第２矢印ＤＭ_22'とを当該平面上に投影したときにおける当該平面上に投影された第１矢印ＤＭ_21'に沿った第１線分と第２矢印ＤＭ_22'に沿った第２線分とのなす角度θ_DMを所定の角度にすることで、磁気センサ部３による回転角度の検出誤差を低減可能であることが明らかとなった。

１…回転角度検出装置
２…磁石
２１’…第１磁石
２２’…第２磁石
２Ａ，２１Ａ’，２２Ａ’…第１面
２Ｂ，２１Ｂ’，２２Ｂ’…第２面
２Ｃ…凹側面
２１Ｄ’，２２Ｄ’…傾斜側面
３…磁気センサ部
４…回転角度検出部

Claims (14)

1. 回転体の回転に伴いその回転軸と一体に回転可能に設けられ、前記回転軸に直交する方向の磁化ベクトルの成分を有する磁石と、
   前記磁石の回転に伴う磁場の変化に基づき、センサ信号を出力する磁気センサ部と、
   前記磁気センサ部により出力された前記センサ信号に基づき、前記回転体の回転角度を検出する回転角度検出部と
   を備え、
   前記磁石は、前記回転軸に実質的に直交する第１面及びそれに対向する第２面と、周方向の全周に亘って連続する凹側面とを有し、
   前記凹側面によって囲まれる空間内に前記回転軸に直交し、前記回転軸を中心とする円形の仮想平面を設定したときに、前記磁気センサ部は、前記凹側面によって囲まれる空間内であって、前記仮想平面上における径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅が互いに実質的に同一となる位置に設けられ、少なくとも前記径方向の磁場強度Ｈ_r及び前記周方向の磁場強度Ｈ_θのいずれか一方を前記センサ信号として出力することを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記回転軸の軸方向に沿った前記磁石の切断面において、前記凹側面は、前記磁石の径方向外側に向かって開口する略Ｕ字状、略Ｖ字状又は略コの字状であ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. 前記回転軸の軸方向に沿った前記磁石の切断面において、前記回転軸の軸方向の一方側に位置する前記凹側面部上の点であって前記回転軸から最も遠い位置にある点を第１点とし、前記回転軸の軸方向の他方側に位置する前記凹側面部上の点であって前記回転軸から最も遠い位置にある点を第２点とし、前記凹側面部上における前記回転軸に最も近い位置にある点を第３点としたときに、前記第１点及び前記第３点を結ぶ第１直線と、前記第２点及び前記第３点を結ぶ第２直線とのなす角度が４０〜９０°であ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. 前記磁石は、前記回転軸の軸方向における前記磁石の中心点を通る、前記回転軸に直交する面を対称面とする面対称形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転角度検出装置。
5. 前記磁気センサ部は、前記対称面上に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の回転角度検出装置。
6. 回転体の回転に伴いその回転軸と一体に回転可能に設けられ、前記回転軸に直交する磁化ベクトルの成分をそれぞれ有する第１磁石及び第２磁石と、
   前記第１磁石及び前記第２磁石の回転に伴う磁場の変化に基づき、センサ信号を出力する磁気センサ部と、
   前記磁気センサ部により出力された前記センサ信号に基づき、前記回転体の回転角度を検出する回転角度検出部と
   を備え、
   前記第１磁石及び前記第２磁石は、それぞれ前記回転軸に実質的に直交する第１面を有し、相互に前記第１面を、所定の間隔を空けて対向させるようにして設けられており、
   前記第１磁石の前記第１面を含む第１仮想平面と前記第２磁石の前記第１面を含む第２仮想平面とにより挟まれる空間内に前記回転軸に直交し、前記回転軸を中心とする円形の第３仮想平面を設定したときに、前記磁気センサ部は、前記空間内であって、前記第３仮想平面上における径方向の磁場強度Ｈ_r及び周方向の磁場強度Ｈ_θの振幅が互いに実質的に同一となる位置に設けられ、少なくとも前記径方向の磁場強度Ｈ_rと前記周方向の磁場強度Ｈ_θとのいずれか一方を前記センサ信号として出力することを特徴とする回転角度検出装置。
7. 前記磁気センサ部は、前記第１仮想平面と前記第２仮想平面との間における前記回転軸の軸方向略中央に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の回転角度検出装置。
8. 前記磁気センサ部は、前記第１磁石及び前記第２磁石の前記第１面の外縁部よりも前記回転軸から遠い位置に設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の回転角度検出装置。
9. 前記第１磁石及び前記第２磁石は、前記回転軸の軸方向における前記各第１面間の中心点を通る、前記回転軸に直交する平面を対称面とする面対称形状であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の回転角度検出装置。
10. 前記回転軸に直交する平面を設定し、前記第１磁石の磁化方向及び前記第２磁石の磁化方向をそれぞれ第１矢印及び第２矢印により表し、前記平面上に前記第１矢印及び前記第２矢印を投影したときに、前記平面上に前記第１矢印が投影された第１投影矢印の方向と前記第２矢印が投影された第２投影矢印の方向とは、互いに異なることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の回転角度検出装置。
11. 前記第１投影矢印に沿った第１線分と前記第２投影矢印に沿った第２線分とのなす角度が、（１８０／(Ｎ＋１))°又は１８０×Ｎ／(Ｎ＋１)）°（Ｎは１以上の整数である。）であることを特徴とする請求項１０に記載の回転角度検出装置。
12. 前記磁気センサ部は、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子又はＡＭＲ素子を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の回転角度検出装置。
13. 複数の前記磁気センサ部を備え、
    前記複数の磁気センサ部のうちの少なくとも２つが、前記回転軸に直交する直交面上の周方向に沿って、前記回転軸を中心として実質的に（１８０／Ｍ）°（Ｍは２以上の整数である。）の間隔で配置されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の回転角度検出装置。
14. 前記各磁気センサ部が、前記径方向の磁場強度Ｈ_r又は前記周方向の磁場強度Ｈ_θを前記センサ信号として出力することを特徴とする請求項１３に記載の回転角度検出装置。