JP2019196929A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置ずれに対する回転角精度のロバスト性に優れ、磁石及び角度センサー間の離間距離を従来と比べ拡大する。【解決手段】磁石１０が、少なくとも角度センサー２０との対向端面１１において、回転軸線ｚとの交点ｚ１を含む中央領域１１Ａに硬磁性材料が存在せず、その外側領域１１Ｂに硬磁性材料が存在する形状を有し、回転軸線に直交する方向に着磁されている。磁石回りの角度偏差が小さい磁束密度ベクトル分布を比較的広い範囲でもつ領域の位置が、従来の硬磁性材料のみで中実に形成された円板状磁石と比較して、回転軸線ｚに沿って磁石表面（対向端面１１）からより離間した位置となる。これにより磁石及び角度センサー間の距離を従来より大きく離間させることができ、かつ回転軸線と磁石中心との位置ずれ等に対するロバスト性に優れ、高精度な回転角検出が可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、回転角検出装置に関し、より詳細には、非接触の角度センサーを用いて回転角を検出する回転角検出装置に関する。

非接触の角度センサーを用いた回転角検出装置として、例えば、特許文献１〜４に示したものが知られている。図１５（ａ），（ｂ）に示したように、いずれも回転体に支持される磁石（典型的には、特許文献１，２に示されているように外周形状が略円形の磁石（以下、「円板状磁石」））と、それに対向配置される角度センサーとしての磁気センサーとを備えてなる。円板状磁石は、回転軸線に沿った厚み方向（ｚ方向）に直交する径方向（ｙ方向）の外部磁界を与えて着磁すると（図１６（ａ）参照）、この円板状磁石の周囲には図１６（ｂ）に示したような磁力線分布をもつ磁界が生成される。

無限大の磁石であれば磁石上面の磁界は、着磁方向の反対方向（Ｎ極からＳ極に向かう方向、図１６（ａ）ではｙ軸の負の方向）の一様な平行磁界を形成するが、実際の有限の大きさの磁石では、磁石の外周囲寄りの磁力線は湾曲するため、回転体の回転軸線を中心として、ｘ方向あるいはｙ方向に離れた位置の磁束密度のベクトルはｙ軸に平行にはならない（図１６（ｂ）参照）。そのため、回転角を検出する場合には、磁束密度ベクトルのｘｙ成分を検出して行っており、角度センサーにおける磁界の検出部（ホール素子、磁気抵抗素子等）が回転軸線上となるように配置している。特許文献１〜４で開示されたものも、かかる原理を利用している。

特開２００３−２４０６０２号公報 特開２００５−２９１９４２号公報 特開２００５−２３３７６８号公報 特許第４１３８９５２号公報

上記のことから、回転角検出装置は、角度センサーにおける磁界の検出部の位置が回転軸線との一致度が高いほど、回転角の検出精度が高くなる。しかし、実際には、角度センサーの検出部の位置と回転軸線との位置ずれを完全に防ぐことは難しく、また、これに加え、回転体の回転軸線と磁石中心との位置ずれ、回転軸線と磁石の中心軸との平行ずれなどもあり、これらが角度センサーの角度の検出精度に影響する。

よって、回転軸線に対する磁石中心のずれあるいは角度センサーの検出部の位置のずれ等が存在する場合でも、検出する磁束密度ベクトル自体の回転角度成分に変動がないこと、すなわち、角度センサー回りの磁束密度ベクトルが着磁方向に平行に形成されていれば、回転角の検出精度の低下を抑制できる。この点、円板状磁石は、回転軸線に沿って磁石表面から所定距離離間した位置に、図１６（ｃ）に示したような着磁方向（ｙ方向）と磁束密度ベクトルとの角度偏差（理想は０度）が小さく、かつ、磁束密度が、一般的な回転角検出装置における角度センサーで使用されている磁束密度範囲（出願時点の一例としては５０±２０ｍＴの範囲）となる磁場が形成されるという特性を有している。すなわち、円板状磁石は、上記のような位置ずれに対して回転角精度のロバスト性に優れ、しかも高精度な回転角検出が可能な磁場領域を生成可能である。かかる特性は、三角形、四角形などの多角形の磁石では確認できない特性であり、回転角検出装置に用いる磁石としては円形状磁石を用いることが好ましいとされている。

しかしながら、上記のロバスト性に優れ、高精度な回転角検出可能な領域は、円形状磁石の表面からそれほど離れた位置ではなく、本発明者が確認したところでは、円形状磁石の外径Ｄに対して、ネオジム磁石で０．１８Ｄ〜０．２Ｄ程度に限られる（後述の「解析例」参照）。例えば、外径（直径）２４ｍｍの円板状磁石（ネオジム磁石）であれば、磁石表面から回転軸線に沿って約４〜５ｍｍの範囲である。それ以外の領域では、円板状磁石の周囲に発生する磁束密度ベクトルの角度の不均一性、磁石回りの磁束密度が距離の二乗に反比例して減少する等の特性から、回転角精度は悪化し、磁束密度は大きく低下する。

このため、従来、磁石と角度センサーとは一定程度近接して配置する必要があり、例えば、薬液中で回転体が作動する機構などのように、磁石と角度センサーとの間に非磁性体製の隔壁を設ける必要があり、磁石と角度センサーとの離間距離を少なくとも９ｍｍ程度は確保しなければならない場合などでは回転角精度に対するロバスト性、磁束密度が不足し、上記の回転角検出装置では使用に適さない場合もあった。この点は、真空／高圧下、高／低温環境など、角度センサーの一般的な実現手段である半導体ＩＣとこれを搭載する電子回路基板を用いるために、隔壁を設けて周囲環境と隔離する必要がある場合も同様であり、上記の回転角検出装置は、回転体が常温下や大気圧下の空気中にあるような場合しか搭載できず、その用途が限られる課題があった。また、これを解消するために、円板状磁石としてより大型のものを使用することも考えられるが、その場合には、回転角検出装置全体も大きくなり、大きな設置スペースを要するという課題もある。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、磁石及び角度センサー間の離間距離を従来より拡大することができ、これにより、それらの間に隔壁の設置も可能とし、用途の拡大を図ること、あるいは従来と同等の検出感度を備えたものをより小型、低コストで製造できる回転角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、本発明の回転角検出装置は、
回転体に取り付けられる磁石と、
前記磁石の回転軸線方向に離間して設置され、前記磁石の磁場の強さを検知して前記磁石の回転角度に応じたセンサー信号を出力する非接触式の角度センサーと
を備え、
前記磁石は、少なくとも前記角度センサーとの対向端面において、前記回転軸線との交点を含む中央領域に硬磁性材料が存在せず、その外側領域に硬磁性材料が存在する形状を有し、前記回転軸線に直交する方向に着磁されていることを特徴とする。

前記磁石は、前記回転軸線に沿って前記角度センサーとの対向端面とその反対側端面との間を貫通する貫通穴を有し、前記角度センサーとの対向端面において前記貫通穴を横切る範囲が前記硬磁性材料の存在しない中央領域を構成している構造とすることができる。
この場合、前記貫通穴の回転軸線に垂直な断面形状が略円形であることが好ましい。

また、前記磁石は、前記回転軸線に沿って前記角度センサーとの対向端面に開口端が臨む窪みを有し、前記角度センサーとの対向端面において前記窪みの開口端を横切る範囲が前記硬磁性材料の存在しない中央領域を構成している構造とすることができる。
この場合、前記窪みの前記回転軸線に垂直な断面形状が略円形であることが好ましい。

また、前記磁石は、外周形状が略円形であることが好ましい。

本発明によれば、磁石が、少なくとも角度センサーとの対向端面において、回転軸線との交点を含む中央領域に硬磁性材料が存在せず、その外側領域に硬磁性材料が存在する形状を有し、回転軸線に直交する方向に着磁されている。それにより、磁石回りの角度偏差が小さい磁束密度ベクトル分布を比較的広い範囲でもつ領域の位置が、従来の硬磁性材料のみで中実に形成された円板状磁石と比較して、回転軸線に沿って磁石表面（対向端面）からより大きく離間した位置となる。そのため、磁石及び角度センサー間の距離を従来より大きく離間させることができ、かつ回転軸線と磁石中心との位置ずれ等に対するロバスト性にも優れ、高精度な回転角検出が可能である。その結果、磁石及び角度センサー間に隔壁の設置も可能で、真空／高圧下、高／低温環境、薬液中などにも適用でき、用途の拡大を図ることができる。また、磁石表面からより離間した位置における磁束密度が高く、かつ、位置ずれに対するロバスト性に優れているため、電子回路基板のレイアウトの設計の自由度を高めることができる。一方、回転角の検出感度を従来と同等にしようとする場合には、より小さな磁石で達成可能となり、回転角検出装置の小型化、製造コストの低減が可能である。

図１は、本発明の一の実施形態に係る回転角検出装置の要部を模式的に示した図であり、（ａ）は回転角検出装置を磁石の反対側端面方向から見た斜視図を、（ｂ）は磁石の対向端面方向から見た斜視図を、（ｃ）は側面図を示す。 図２（ａ）は、上記一の実施形態で用いた磁石の斜視図であり、図２（ｂ）は、その１／２の磁石モデルを示した図である。 図３は、図２に示した磁石で形成される磁場を構成する磁束密度ベクトル分布の一例を示した図である。 図４は、図２に示した磁石により形成される磁場の角度偏差分布の例を示した図である。 図５は、図２に示した磁石により形成される磁場の磁束密度分布の例を示した図である。 図６（ａ），（ｂ）は、窪みを形成した磁石を用いた他の実施形態に係る回転角検出装置の要部を模式的に示した斜視図である。 図７は、上記他の実施形態における略円錐状の窪みを有する磁石の形状及び寸法を説明するため磁石の１／２モデルを示した図である。 図８（ａ）〜（ｄ）は、略円錐状の窪みの形状の例を示した図である。 図９は、図８に示した各磁石により形成される磁場の角度偏差分布の例を示した図である。 図１０は、図８に示した各磁石により形成される磁場の磁束密度分布の例を示した図である。 図１１は、上記他の実施形態における略球面状の窪みを有する磁石の形状及び寸法を説明するため磁石の１／２モデルを示した図である。 図１２（ａ）〜（ｄ）は、略球面状の窪みの形状の例を示した図である。 図１３は、図１２に示した各磁石により形成される磁場の角度偏差分布の例を示した図である。 図１４は、図１２に示した各磁石により形成される磁場の磁束密度分布の例を示した図である。 図１５（ａ）は、円板状磁石を用いた従来の回転角検出装置の要部を模式的に示した斜視図であり、図１５（ｂ）はその側面図である。 図１６（ａ）は、従来の回転角検出装置で用いられる円板状磁石の形状及び寸法を説明するため磁石の１／２モデルを示した図であり、図１６（ｂ）、はその磁力線分布を模式的に示した図であり、図１６（ｃ）は、角度偏差を説明するための図である。 図１７は、円板状磁石の上面空間におけるｘｙ面の角度偏差分布をｚ軸の値を異ならせて示した図である。 図１８（ａ），（ｂ）は、図１７の各図のｘｙ面上において、ｘ軸に対して４５度の位置におけるｚ軸に沿った位置に対する角度偏差分布を示した図である。 図１９（ａ）〜（ｃ）は、図１８の角度偏差分布を磁石の厚さを異ならせてシミュレーションした結果を示す図であり、図１９（ｄ）〜（ｆ）は、図１９（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ対応する磁束密度を示した図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る回転角検出装置１の要部の概略構成を模式的に示した図である。この図に示したように、回転角検出装置１は、回転角の測定対象である回転体Ａに接続される磁石１０と、電気回路基板２１上に設けられる角度センサー２０とを有して構成される。

磁石１０は、硬磁性材料を用いて形成された永久磁石からなり、角度センサー２０は、検出部にホール素子や磁気抵抗素子等を用いた磁気センサーから構成され、磁石１０と角度センサー２０は、所定距離（Ｄｚ）離間して対向配置される。具体的には、角度センサー２０は、磁石１０の回転軸線ｚ（回転体Ａの回転軸線に一致）方向に所定距離（Ｄｚ）離間させ、回転軸線ｚ上に、該角度センサー２０の磁場の検出部（ホール素子、磁気抵抗素子など）が一致するように配置される。これにより、角度センサー２０は、磁石１０の磁場の強さ、特に、回転軸線ｚに略直交する方向の成分の強さを非接触で検知し、その強さに応じてセンサー信号を出力する。この磁場の強さは磁石１０の回転角度によって変化するため、センサー信号は、回転角度に応じた出力となり、それにより、電気回路基板２１を介して、磁石１０及び回転体Ａの回転角度が求められる。

磁石１０は、少なくとも角度センサー２０との対向端面１１において、回転軸線ｚとの交点ｚ１（図１（ｂ），（ｃ）参照）を含む中央領域には硬磁性材料が存在せず、その外側領域に硬磁性材料が存在する形状を有し、回転軸線ｚに直交する方向に着磁されている。本実施形態では、かかる磁石１０として、図１及び図２に示したように、対向端面１１と反対側端面１２との間を貫通する貫通穴１３を有する略円筒状に形成されたものを用いている。これにより、対向端面１１（本実施形態において「対向端面１１」は、貫通穴１３の開口端１３ａに取り囲まれた範囲の面を含む）において該貫通穴１３を横切る範囲、すなわち、対向端面１１に臨む貫通穴１３の開口端１３ａに取り囲まれた範囲が、硬磁性材料の存在しない中央領域１１Ａとなる。その結果、対向端面１１は、硬磁性材料の存在しない中央領域１１Ａと、その外側に位置する硬磁性材料からなる外側領域１１Ｂとを含んで構成される（図１（ａ）〜（ｃ）参照）。

磁石１０は、図２（ａ），（ｂ）に示したように、回転軸線ｚに直交する方向、すなわち、磁石１０の直径方向（ｙ方向）に沿って着磁されているものが用いられ、外周形状が略円形であることが好ましい。また、貫通穴１３の回転軸線ｚに垂直な方向の断面形状も略円形であることが好ましい。これにより、磁石１０は、貫通孔１０を挟んだ各１／２円周の円弧部１０Ａ，１０Ｂのそれぞれに外周側と内周側との間にＮ極、Ｓ極が着磁される。図２（ａ）の例では、矢印で示した着磁方向（ｙ方向）に沿って順に、Ｓ極−Ｎ極−（貫通孔１３）−Ｎ極−Ｓ極が着磁されている。

図３は、図２（ａ），（ｂ）に示した断面略円形の貫通孔１３を有する外周が略円形の円筒形の磁石１０回りに生成される磁界の磁束密度ベクトルを示した図である。なお、図３は、磁界の対称性を考慮し、磁石１０の厚み方向（ｚ方向）・着磁方向（ｙ方向）と平行で磁石１０（貫通穴１３の中心軸（回転軸線ｚに一致））を含む断面にてカットしたいわゆる１／４モデルとしている。また、磁束密度ベクトルは、その特徴がわかりやすく示されるｘ＝０のｙｚ面上のものを示しており、図３の右から左に向かって、Ｓ極−Ｎ極−（貫通穴１３）−Ｓ極−Ｎ極の着磁パターンとなっている。

厚み方向の対称面についてみると、貫通穴１３においては、該貫通穴１３の右側がＮ極で左側がＳ極であるため、磁束密度のベクトルが図３の右側から左側の向きとなる。貫通穴１３の部分は比透磁率が小さいため、ｚ座標が大きくなると共に、磁束密度ベクトルの間隔が疎となり、磁力線が貫通穴１３の中心軸に向かって凸形状となる磁場領域（ａ）が生成される。貫通孔１３の上方（ｚが大きくなる方向）では、貫通穴１３の中心軸を横切る磁束密度ベクトルが消滅し、貫通孔１３を挟んだ左右一対のＮＳ分極（円弧部１０Ａ、１０Ｂ）において、それぞれＮ極からＳ極に向かう磁場領域（ｂ１），（ｂ２）が生成される。さらに、中心軸（回転軸心Ｐ）に沿った貫通穴１３の上方（ｚが大きくなる方向）では、一方の円弧部１０Ａの外周側に位置するＮ極と、他方の円弧部１０Ｂの外周側に位置するＳ極とに対応する磁場領域（ｃ）が生成される。

従って、貫通穴１３を有する磁石１０においては、貫通穴１３を挟んだ各円弧部１０Ａ，１０Ｂの外周側のＮ極とＳ極に対応する磁場領域（ｃ）が、貫通穴１３付近の磁場領域（ａ），（ｂ１），（ｂ２）の存在により、それらのさらに上方（ｚが大きくなる方向）に形成されることになる。その結果、貫通穴１３を有しない円板状磁石と比較して、回転軸線ｚに略直交する成分の磁場領域（ｃ）が磁石１０の表面（対向端面１１）からより離間した位置となる。上記のように、円板状磁石は、「回転軸線に沿って磁石表面から所定距離離間した特定位置に、着磁方向（ｙ方向）と磁束密度ベクトルとの角度偏差が小さく、回転軸線に対する位置ずれがあっても精度よく角度検出できる磁場を有する」という特徴をもつが、本実施形態の磁石１０によれば、その回転軸線ｚに沿った所定距離（Ｄｚ）離間した特定位置を、従来の円板状磁石よりも拡大できる（ｚ方向により離間した位置とすることができる）。

（解析例）
次に、従来の円板状磁石及び本実施形態の貫通穴１３を有する磁石１０によって生成される磁場を評価した。なお、いずれも希土類磁石（ネオジム磁石）から構成している。

（１）従来の円板状磁石についての評価
図１７は、ｙ方向に着磁された直径２４ｍｍの円板状磁石の上面空間（ｚ方向に離れた空間）におけるｘ方向９ｍｍ×ｙ方向９ｍｍの大きさの面での着磁方向（ｙ方向）と磁束密度ベクトルとの角度偏差の分布を示した図である。原点を回転軸線（ｚ軸）とした直交座標系の第１象限を示している。円板状磁石では磁束密度ベクトルがｙｚ面、ｘｚ面について対称となるため１／４領域を示したものである。着磁方向（ｙ方向）と磁束密度ベクトルとの角度偏差は図の等高線（コンター図）で表現され、この図では０〜０．５度超となる領域を５段階、すなわち１段階＝０．１度の分解能で表している。図１７の８枚の図は、立体的な空間に対してそれぞれ円板状磁石の上方の平面に対し、ｚ＝１ｍｍから８ｍｍまで１ｍｍ間隔でとった断面上の角度偏差分布である。

これらの図から明らかなように、ｚ＝１ｍｍ、２ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍなどの磁石表面にごく近い領域 または 磁石から遠い領域では、角度偏差の小さい領域（角度偏差０．１度以下の領域）が原点（ｚ軸）近傍、ｘ軸のごく近傍、ｙ軸のごく近傍に限られることがわかる。これに対し、ｚ＝４ｍｍ、５ｍｍの位置では、角度偏差の小さい領域が原点（ｚ軸）近傍、ｘ軸のごく近傍、ｙ軸のごく近傍に限らず、中心からの半径２ｍｍ程度以内の領域 にまで拡大している。つまり、直径２４ｍｍの円板状磁石の場合、ｚ＝４〜５ｍｍ程度の範囲が、他の高さ（ｚ方向の離間距離）に比べセンサー位置（理想的には回転軸線上）と回転軸線の位置ずれが大きくても０．１度以内の誤差で回転角を検出できる、ロバスト性のよい領域が形成されていることがわかる。

ここで、図１７の８枚の図のそれぞれを比較すると、角度偏差の小さい領域は、これら各ｘｙ平面上においてｘ軸となす角度４５度の位置でｚ方向に対する変化が大きいことがわかる。そこで、各ｘｙ平面上の４５度の位置の断面（図１７のｚ＝８ｍｍの図においてＡ−Ａ線で例示した位置の断面）において、ｚ方向に対する角度偏差と磁束密度の分布を求めることで、角度偏差の小さな領域がｚ軸を中心として半径方向（ｒ）にどの程度広がっているかがわかる。図１８（ａ），（ｂ）がその結果を示し、横軸をｚ座標とし、縦軸を４５度方向の距離（径方向ｒの距離）として示している。図１８（ａ）が角度偏差の分布図であり、図１８（ｂ）が磁束密度の分布図である。

図１８（ａ）より、角度偏差の小さい領域がｚ軸まわりに一部が尖った分布をもつことを示していると共に、この尖りの大きさ（ｒ方向距離）が、ｚ値がより小さい磁石近傍またはｚ値がより大きい遠方に比較し、ｚ＝４．４〜５．０ｍｍの位置（外径Ｄ（２４ｍｍ）に対し０．１８〜０．２Ｄ程度の位置）で３〜４倍に達していることがわかる（図１８（ａ）の楕円で囲まれた範囲を参照）。また、図１８（ｂ）によれば、このｚ＝４．４〜５．０ｍｍの位置での磁束密度は５０ｍＴ程度（図１８（ｂ）の楕円で囲まれた範囲を参照）であり、一般に利用されている角度センサーの使用磁束密度範囲（感度）である５０±２０ｍＴの範囲に適合していることがわかる。よって、ｚ位置を例えば約２倍の９ｍｍ程度の位置にとりたいと考えたとしても、９ｍｍの位置では磁束密度は２０〜３０ｍＴ程度に低下し、角度センサーの使用磁束密度範囲外となるため、この円形状磁石では、角度センサーとの距離（Ｄｚ）を約５ｍｍ以上に離間して設置することはできない。

なお、より高い磁束密度を得るためには、磁石材質の変更が考えられるが、上記の例では、すでに希土類磁石を適用しているため、それ以外の手法、例えば磁石厚みの増加が考えられる。そこで、直径２４ｍｍ（半径ｒ０＝１２ｍｍ）の円板状磁石の厚みｔ（ｍｍ）を変化させて角度偏差と磁束密度をシミュレーションした結果を図１９（ａ）〜（ｆ）に示す。図１９（ａ）〜（ｃ）は角度偏差分布を示し、図１９（ｄ）〜（ｆ）が磁束密度分布を示す。なお、比較しやすくするため、図１９（ａ）には図１８（ａ）と同じ角度偏差分布を掲載し、図１９（ｄ）には図１８（ｂ）と同じ磁束密度分布を掲載している。図１９（ｄ）〜（ｆ）によれば、磁石厚みｔの拡大とともに磁束密度は拡大できるが、図１９（ａ）〜（ｃ）に示されるようにロバスト性の拡大するｚ位置座標は、厚みの増加に伴って小さく、すなわち磁石表面に近づいてしまい、磁束密度の拡大とｚ位置の拡大とは両立しないことがわかる。

（２）本実施形態の貫通穴１３を有する磁石１０の評価
上記の図１８〜図１９の解析結果を求めた手法と同様の手法を用い、ｘｙ平面上の４５度の位置の断面において、ｚ方向に対する角度偏差と磁束密度の分布を求めた。図４が角度偏差分布の結果であり、図５が磁束密度分布の結果である。なお、ここで使用した本実施形態の磁石１０は、外径Ｄ＝２４ｍｍ（外半径ｒ０＝１２ｍｍ）であるが、その他の寸法パラメータは、磁石１０の厚みをｔ（ｍｍ）、貫通孔１３の半径をｒ１（ｍｍ）として、各寸法の組合せとの対比で、図４及び図５の角度偏差分布及び磁束密度分布を示している。また、図４の角度偏差分布を示す各グラフに対応して示したｚの値は、角度偏差０．１度以下の頂点が存在する位置である。

図４の角度偏差分布についてみると、板厚ｔ＝４．５６ｍｍ（ｔ／ｒ０＝０.３８）、板厚ｔ＝７．９２ｍｍ（ｔ／ｒ０＝０.６６）のいずれの場合も、穴の半径ｒ１を大きくするほど、角度偏差が小さくｒの値の大きい（尖った山状）領域が横軸（ｚ座標）の右側、すなわち磁石表面（ｚ＝０）に対してより離れた位置に移動することがわかる。これは図３に示した磁場領域（ａ），（ｂ１），（ｂ２）が貫通穴１３の直径の拡大とともに大きくなるためである。図４の例ではｔ／ｒ０＝０．３８、ｒ１／ｒ０＝０．９のとき、角度偏差の小さい領域のｒの尖った山状のｚ方向座標が１６ｍｍ程度に位置し、高精度の角度検出のために適した領域と磁石との間の距離を、同じ外径寸法の上記した貫通穴を有しない円板状磁石に対して３倍程度に拡大できることがわかる。

一方、図５の磁束密度についてみると、貫通穴１３の穴半径ｒ１を大きくするほど磁束密度は小さくなることがわかる。そして、図４で求めた各ｚ位置において、従来一般に利用されている角度センサーの使用磁束密度範囲（感度）である５０±２０ｍＴの範囲の磁束密度を有するケースは、ｒ１／ｒ０＝０．３、ｔ／ｒ０＝０．３８、並びに、ｒ１／ｒ０＝０．３、ｔ／ｒ０＝０．６６の２つのケースであった。よって、所定の磁束密度を有する角度偏差の小さい領域のｒ寸法の位置は、解析に用いた磁石１０の例では、ｚ＝８．７〜１０ｍｍ程度となる。従来の同一外径（Ｄ＝２４ｍｍ、ｒ０＝１２ｍｍ）の円板状磁石の場合は、上記のように、この適切なｚ位置が４．４〜５．０程度であったことから、本実施形態の貫通穴１３を有する磁石１０は、磁石１０と角度センサー２０との距離（Ｄｚ）を２倍程度拡大して配置できることがわかる。逆に言えば、本実施形態の磁石１０と角度センサー２０との距離を４．４〜５．０ｍｍ程度とすれば、磁石１０の外径Ｄを従来の円板状磁石の１／２程度とすることができ、回転角検出装置１の小型化に寄与できる。

図６（ａ），（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る回転角検出装置１Ａ，１Ｂを示す。本実施形態の回転角検出装置１Ａ，１Ｂでは、上記実施形態と磁石１００の構造が異なる。なお、その他の構成は上記実施形態と同様である。上記実施形態では、磁石１０として貫通穴１３を有する略円筒状のものを用いるが、本実施形態では、図７及び図１１等に示したように、窪み１３０を備えた磁石１００を用いている。すなわち、窪み１３０は、磁石１００における角度センサー２０との対向端面１１０に開口端１３０ａが臨む一方、磁石１００の反対側端面１２０まで貫通していない形状で形成されている。これにより、対向端面１１０（「対向端面１１０」は、上記実施形態と同様に、窪み１３０の開口端１３０ａに取り囲まれた範囲の面を含む）において該開口端１３０ａを横切る範囲が、硬磁性材料の存在しない中央領域１１０Ａとなり、その外側が硬磁性材料からなる外側領域１１０Ｂとなる。

窪み１３０の形状は限定されるものではなく、種々の形状の適用が考えられるが、磁石回りの角度偏差が小さい磁束密度ベクトル分布を比較的広い範囲でもつ領域の形成のために、回転軸線ｚに垂直な断面形状で略円形とすることが好ましく、これに成形性等を考慮して、略円錐状、略球面状とすることがより好ましい。本実施形態では、略円錐状の窪み１３０を有する回転角検出装置１Ａを図６（ａ）、図７及び図８で示し、略球面状の窪み１３０を有する回転角検出装置１Ｂを図６（ｂ）、図１１及び図１２で示している。まず、窪み１３０が略円錐状の場合について説明する。磁石１００（外径Ｄ＝２４ｍｍ（外半径ｒ０＝１２ｍｍ））及び略円錐状の窪み１３０の形状及び寸法を図８（ａ）〜（ｄ）及び表１のように異ならせたＬ１〜Ｌ４の例に関し、上記実施形態と同様の手法でｘｙ平面上の４５度の位置の断面において、ｚ方向に対する角度偏差と磁束密度の分布を求めた。図９が角度偏差分布の結果であり、各グラフに対応して角度偏差０．１度以下の頂点が存在するｚ値を示し、図１０が磁束密度分布の結果である。

図９から明らかなように、Ｌ１〜Ｌ４のどの略円錐形状であっても、角度偏差が小さく、ｒの大きい尖った山状の領域が存在していることがわかる。この尖った山状の頂点のｚ軸上の位置は、約７．４〜９．０ｍｍの範囲にあり、上記実施形態で解析した従来の円板状磁石の約４．４〜５．０ｍｍに対して、１．５〜２倍程度に拡大していた。この約７．４〜９．０ｍｍのｚ軸上の位置は、図１０の磁束密度分布に照らすと、いずれも、５０±２０ｍＴの範囲に存在していた。よって、略円錐形状の窪み１３０を設けた場合でも、上記実施形態の貫通穴１３を設けた磁石１０と同様に、磁石１０及び角度センサー２０間の距離（Ｄｚ）を拡大できると共に、角度の検出精度に対するロバスト性に優れた回転角検出装置１を提供できることがわかった。

次に、窪み１３０を略球面状とした場合について、磁石１００（外径Ｄ＝２４ｍｍ（外半径ｒ０＝１２ｍｍ））及び略球面状の窪み１３０の形状及び寸法を、図１１、図１２及び表２のように異ならせたＭ１〜Ｍ４の例について、上記実施形態と同様の手法でｘｙ平面上の４５度の位置の断面において、ｚ方向に対する角度偏差と磁束密度の分布を求めた。図１３が角度偏差分布の結果であり、各グラフに対応して角度偏差０．１度以下の頂点が存在するｚ値を示し、図１４が磁束密度分布の結果である。

図１３から明らかなように、Ｍ１〜Ｍ４のどの略球面形状であっても、角度偏差が小さく、ｒの大きい尖った山状の領域が存在していることがわかる。この尖った山状の頂点のｚ軸上の位置は、約７．２〜１０．１ｍｍの範囲にあり、上記実施形態で解析した従来の円板状磁石の約４．４〜５．０ｍｍに対して、１．５〜２倍程度に拡大していた。この約７．２〜１０．１ｍｍのｚ軸上の位置は、図１４の磁束密度分布に照らすと、Ｍ１の例では当該位置の磁束密度が２０ｍＴ以下と小さいが、そのほかのＭ２〜Ｍ４のいずれも、５０±２０ｍＴの範囲に存在していた。よって、略球面状の窪み１３０を設けた場合でも、上記実施形態の貫通穴１３を設けた磁石１０と同様に、適切な寸法パラメータの組合せを選定することにより磁石１０及び角度センサー２０間の距離（Ｄｚ）を拡大できると共に、角度の検出精度に対するロバスト性に優れた回転角検出装置１を提供できることがわかった。

上記した説明では、外周が略円形の磁石の中央部に貫通穴又は窪みを有する場合について説明してきたが、図３の磁束密度ベクトル分布を構成するためには回転軸線を含む中心部に硬磁性材料からなる磁性体が無く、その磁性体のない領域の両側周囲に硬磁性材料からなる磁性体のある形状であればよい。従って、例えば、外形が円錐面になっている略円筒形状であったり、窪みの底面に面取り形状があったりしても同様に構成し得る。また、上記の例では、いずれも磁石外径Ｄ＝２４ｍｍの事例を中心に説明しているが、本発明者はこれ以外の磁石外径でも同様の効果があることも確認しており、特定の外形寸法に限定されずあらゆる直径の磁石体に適用できることはもちろんである。

さらに、図３の磁束密度ベクトル分布を構成するためには物理的な貫通穴又は窪みを有することは必ずしも必要ない。いわゆるボンド磁石（プラスチック磁石、ゴム磁石）と呼ばれているものは、磁石材料となる硬磁性体の材料粉末をプラスチック樹脂と混合し成形固化し製造されるが、この場合、硬磁性体粉末を混合しない、通常の非磁性体プラスチック樹脂が、硬磁性体の貫通穴又は窪み（中央領域１１Ａ，１１０Ａ）に設けられた磁石体であれば、物理的な外形形状では窪みや穴はないが、磁気的には窪みあるいは穴を設けたのと同様の効果を当然に発揮でき、本発明に含む態様である。

さらに、上記の説明では、従来技術の円板状磁石に対して磁石と角度センサー間の距離を概ね１．５〜２倍程度に拡大できることを示したが、これらがあくまで一例であることはもちろんである、例えば、角度センサー２０としてより感度に優れたものを用いた場合には、例えば図４のｒ１／ｒ０＝０．９ の例のように、磁石外径Ｄ＝２４ｍｍで、ｚ＝１６．３ｍｍとするなど、さらに両者間の距離（Ｄｚ）を拡大することが可能であり、その場合、さらなる搭載自由度の向上や磁石の小型化を図ることができる。

１，１Ａ，１Ｂ 回転角検出装置
１０，１００ 磁石
１１，１１０ 対向端面
１１Ａ，１１０Ａ 中央領域
１１Ｂ，１１０Ｂ 外側領域
１３ 貫通穴
１３０ 窪み

Claims (6)

1. 回転体に取り付けられる磁石と、
   前記磁石の回転軸線方向に離間して設置され、前記磁石の磁場の強さを検知して前記磁石の回転角度に応じたセンサー信号を出力する非接触式の角度センサーと
   を備え、
   前記磁石は、少なくとも前記角度センサーとの対向端面において、前記回転軸線との交点を含む中央領域に硬磁性材料が存在せず、その外側領域に硬磁性材料が存在する形状を有し、前記回転軸線に直交する方向に着磁されていることを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記磁石は、前記回転軸線に沿って前記角度センサーとの対向端面とその反対側端面との間を貫通する貫通穴を有し、前記角度センサーとの対向端面において前記貫通穴を横切る範囲が前記硬磁性材料の存在しない中央領域を構成している請求項１記載の回転角検出装置。
3. 前記貫通穴の回転軸線に垂直な断面形状が略円形である請求項２記載の回転角検出装置。
4. 前記磁石は、前記回転軸線に沿って前記角度センサーとの対向端面に開口端が臨む窪みを有し、前記角度センサーとの対向端面において前記窪みの開口端を横切る範囲が前記硬磁性材料の存在しない中央領域を構成している請求項１記載の回転角検出装置。
5. 前記窪みの前記回転軸線に垂直な断面形状が略円形である請求項４記載の回転角検出装置。
6. 前記磁石は、外周形状が略円形である請求項１〜５のいずれか１に記載の回転角検出装置。