JP2024013695A - 磁気センサ、回転角検知装置、及び回転角検知装置を用いたブレーキシステム - Google Patents

磁気センサ、回転角検知装置、及び回転角検知装置を用いたブレーキシステム Download PDF

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Abstract

【課題】磁石の回転角を検知する磁気センサにおいて、角度測定誤差を低減し取付構造を簡略化する。【解決手段】磁気センサ１は、中心軸Ｃの周りを回転する磁石２が発生する磁場を検知する磁場検知素子７と、第１の面Ｐ１と第１の面の裏面である第２の面Ｐ２とを有し、第２の面Ｐ２は第１の面に対して傾斜した第１の傾斜面ＰＫ１を含む基板１０と、を有している。磁場検知素子７は第１の傾斜面に沿って設けられている。磁石２は中心軸Ｃから間隔をあけて設けられ、中心軸の周方向に沿って極性が交互に入れ替わっている。第１の面は中心軸Ｃと実質的に平行であり、第１の傾斜面は第１の面に対して平均角度θをなして傾斜している。中心軸Ｃと直交する面内において、磁場検知素子の設置位置での磁場強度は磁石２の回転に伴い変化し、面内における磁場強度の最小値に対する最大値の比をMFRとしたときに、(1/Ks)×0.8≦MFR≦(1/Ks)×1.2（但し、Ks＝sinθ）である。【選択図】図３

Description

本発明は、磁気センサ、回転角検知装置、及び回転角検知装置を用いたブレーキシステムに関する。
中心軸の周りを回転する磁石の回転角を検知する磁気センサが知られている。磁石が発生する磁場の強さと向き（磁場ベクトル）は、磁石の回転に伴い、磁気センサの設置位置の周りでリサージュを描く。特許文献１には、このリサージュが概ね円形となるように配置された磁気センサが開示されている。このように配置された磁気センサでは、角度測定誤差が抑制される。特許文献１に開示された磁気センサは、磁石の中心軸に対して斜めに設置されている。
特許第４９００８３８号公報
特許文献１に記載された磁気センサは磁石の中心軸に対して斜めに配置されているため、取付構造が複雑になりやすい。一般に、磁気センサは磁石の中心軸と実質的に平行か、または中心軸と実質的に直交する向きで取り付けることが好ましい。しかし、そのように取り付けられた磁気センサは、磁場のリサージュが真円からずれてしまい角度測定誤差を抑制することが難しい。
本発明は、回転する磁石の回転角を検知可能で、角度測定誤差が低減され、取付構造が簡略化された磁気センサを提供することを目的とする。
本発明の磁気センサは、中心軸の周りを回転する磁石が発生する磁場を検知する第１の磁場検知素子と、第１の面と第１の面の裏面である第２の面とを有し、第２の面は第１の面に対して傾斜した第１の傾斜面を含む基板と、を有する。第１の磁場検知素子は第１の傾斜面に沿って設けられている。磁石は中心軸から間隔をあけて設けられ、中心軸の周方向に沿って極性が交互に入れ替わる。第１の面は中心軸と実質的に平行であり、第１の傾斜面は第１の面に対して平均角度θをなして傾斜している。中心軸と直交する面内において、第１の磁場検知素子の設置位置での磁場強度は磁石の回転に伴い変化し、面内における磁場強度の最小値に対する最大値の比をMFRとしたときに、(1/Ks)×0.8≦MFR≦(1/Ks)×1.2（但し、Ks＝sinθ）を満足する。
本発明によれば、回転する磁石の回転角を検知可能で、角度測定誤差が低減され、取付構造が簡略化された磁気センサを提供することができる。
本発明の一実施形態に係るブレーキシステムの概略構成図である。 磁気センサと磁石とモータの概略配置を示す図である。 磁気センサの概略配置を示している。 本発明の第１の実施形態における磁気センサと磁石と回転シャフトの概略配置図である。 磁場検知素子と基板の斜視図である。 ＭＲ素子の層構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態と比較例における外部磁場のリサージュである。 Max(HSY)/Max(HSX)と角度測定誤差との関係を説明する図である。 本発明の第２の実施形態における磁気センサと磁石と回転シャフトの概略配置図である。 本発明の第３の実施形態における磁場検出素子の概略配置図である。 本発明の第４の実施形態における磁気センサと磁石と回転シャフトの概略配置図である。 図１１に示す磁場検出素子の電気接続を示す概略図である。
図面を参照して、本発明のいくつかの実施形態について説明する。図１は、本発明の磁気センサが適用されるブレーキシステム１０１の一例を概略的に示している。ブレーキシステム１０１はブレーキペダル１０２と、接続部材１０３を介してブレーキペダル１０２に接続されたマスターシリンダ１０４と、マスターシリンダ１０４に接続された油圧制御回路１０５と、油圧制御回路１０５に接続されたキャリパー１０６と、を有している。マスターシリンダ１０４にはリザーバタンク１０７が接続されている。
モータ１０８はギアトレイン１０９を介してマスターシリンダ１０４に接続されている。ブレーキペダル１０２の変位量はストロークセンサ１１０で検知され、制御ユニット１１１に送られる。モータ１０８の回転数は磁気センサ１（回転角センサ）によって検知され、制御ユニット１１１に送られる。制御ユニット１１１はブレーキペダル１０２の変位量に応じてモータ１０８の回転を制御する。ブレーキペダル１０２から入力された制動力はモータ１０８で増幅され、油圧制御回路１０５に伝達される。従って、モータ１０８は電動ブースターとして作動する。油圧制御回路１０５はブレーキペダル１０２の踏み込み量に応じてブレーキオイルをキャリパー１０６に供給する。キャリパー１０６はブレーキディスク１１２を制動する。
図２は、磁気センサ１と磁石２とモータ１０８の概略配置を示している。モータ１０８は、ロータ１１３とステータ１１４とを有している。ロータ１１３とステータ１１４は、モータケーシング１１５に収容されている。ロータ１１３は、中心軸Ｃの周りを回転する回転シャフト３を備えている。回転シャフト３の先端部の側面に、回転シャフト３と同心でリング状の磁石２が取り付けられている。磁石２は中心軸Ｃから間隔をあけて設けられている。磁石２の極性は中心軸Ｃの周方向に沿って交互に入れ替わっている。すなわち、Ｎ極とＳ極が中心軸Ｃの周方向に沿って交互に配置されている。Ｎ極とＳ極の数は限定されず、少なくとも一対のＮ極とＳ極があればよく、本実施形態では４対のＮ極とＳ極が設けられている。磁石２はロータ１１３とともに回転し、磁石２の発生する磁場は回転シャフト３とともに回転する。
磁石２の近傍に、磁石２の回転角、従って回転シャフト３及びモータ１０８の回転角を検知する磁気センサ１が配置されている。磁気センサ１と磁石２は、モータケーシング１１５に固定されたセンサハウジング４に収容されている。磁気センサ１と磁石２はモータ１０８の回転角検知装置５を構成する。磁気センサ１は、センサパッケージ１１と、センサパッケージ１１が取り付けれられた電気配線部材８と、を有している。電気配線部材８は例えばプリント基板からなる。
図３は、磁気センサ１の概略配置を示している。センサパッケージ１１は基体６と、基体６を支持する支持部１２と、基体６に設けられた電気接続パッド１３と、電気接続パッド１３に接続されたリード線１４と、リード線１４に接続された電気接続部１５と、を有している。基体６と支持部１２と電気接続パッド１３とリード線１４は樹脂１６で封止され、電気接続部１５の一部も樹脂１６で封止されている。樹脂１６はセンサパッケージ１１の外面を形成する。センサパッケージ１１は概ね直方体の形状を有している。電気接続部１５の、樹脂１６の外側にある部分は電気配線部材８に接続されている。センサパッケージ１１は、電気接続部１５によって電気配線部材８に取り付けられている。センサパッケージ１１の電気配線部材８との対向面Ｐ３は電気配線部材８から離れている。
図４は、磁気センサ１の基体６と磁石２と回転シャフト３の概略配置を示している。図示の便宜上、これらの部品は実際のサイズと異なっている可能性があることに留意されたい。図４（ａ）は斜視図であり、図４（ｂ）はＹ方向からみた側面図である。図５は磁場検知素子７と基板８の斜視図を示している。基体６は概ね直方体の形状を有している。基体６には磁場検知素子７が内蔵されている。磁場検知素子７は電気配線部材８に電気的に接続されている。磁場検知素子７は中心軸Ｃの周りを回転する磁石２が発生する磁場を検知する。
ここで、本実施形態で用いる２つの座標系について説明する。一つは磁場検知素子７のＳＸ－ＳＹ－ＳＺ直交座標系である。ＳＸ軸、ＳＹ軸、ＳＺ軸は互いに直交している。ＳＸ軸、ＳＹ軸は磁場検知素子７の磁場検知軸に対応する。ＳＸ軸は第１の傾斜面ＰＫ１の中心線１５（図５参照）と直交し、ＳＹ軸は第１の傾斜面ＰＫ１の中心線１５と平行である。ＳＺ軸は磁場検知素子７を構成する各層（例えば、後述する磁化固定層２４及び磁化自由層２６）と直交しており、従って磁場検知素子７の２つの磁場検知軸と直交している。
もう一つの座標系は回転シャフト３及び基体６のＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系である。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交している。Ｘ軸は回転シャフト３の中心軸Ｃと平行であり、Ｙ軸，Ｚ軸は回転シャフト３と直交している。Ｙ軸はＳＹ軸と一致している。Ｚ軸は基体６の厚さ方向と平行であり、基体６の取付け面（第１の面Ｐ１）と直交している。基体６の厚さとは、基体６の対向面間の寸法のうち、最小の寸法を意味する。磁石２によって発生する外部磁場はＹ－Ｚ面内で回転し、外部磁界は実質的にＹ－Ｚ面と平行な成分だけを有するため、Ｘ軸方向の磁場成分は実質的に０とみなすことができる。
基体６は磁場検知素子７を支持する基板１０を有している。基板１０はシリコン等で形成された第１の部分１０Ａと、レジストで形成され後述する第１の傾斜面ＰＫ１を備えた第２の部分１０Ｂと、を有している。第１の部分１はＺ方向にほぼ一定の厚さを有している。第２の部分１０Ｂは第１の部分１０Ａの上に積層される。基板１０の全体をシリコン基板のエッチング等によって作成することもできる。
基板１０は平坦な第１の面Ｐ１と、第１の面Ｐ１の裏面である第２の面Ｐ２と、を有している。第１の面Ｐ１は基体６の外面の一部（直方体の一つの面）であり、第２の面Ｐ２は基体６の内部の面である。第２の面Ｐ２と磁場検知素子７は絶縁層９で覆われている。センサパッケージ１１は対向面Ｐ３が電気配線部材８と対向する向きで、電気配線部材８に支持されている。電気配線部材８と、センサパッケージ１１の対向面Ｐ３と、基板１０の第１の面Ｐ１は、中心軸ＣないしＸ－Ｙ面と実質的に平行である。実質的に平行とは、第１の面Ｐ１と中心軸Ｃが平行であるか、または第１の面Ｐ１を含む面と中心軸Ｃとがなす鋭角が５度以下であることをいう。
第２の面Ｐ２は、第１の面Ｐ１と平行な第１及び第２の基準面ＰＳ１，ＰＳ２と、第１の面Ｐ１に対して傾斜した第１の傾斜面ＰＫ１と、を有している。第１の傾斜面ＰＫ１は第１及び第２の基準面ＰＳ１，ＰＳ２に対しても傾斜している。第１及び第２の基準面ＰＳ１，ＰＳ２と第１の傾斜面ＰＫ１は平坦である。第１の傾斜面ＰＫ１はＳＸ－ＳＹ面と平行である。第１の傾斜面ＰＫ１は第１の基準面ＰＳ１と第２の基準面ＰＳ２との間にあって、第１の基準面ＰＳ１及び第２の基準面ＰＳ２と接続されている。
第１の傾斜面ＰＫ１は４つの直線状の辺１１～１４を有している。辺１１，１２は互いに対向し互いに平行であり、辺１３，１４は互いに対向し互いに平行である。辺１１，１２はそれぞれ、第１の基準面ＰＳ１と第２の基準面ＰＳ２とを接続する。辺１３は第１の傾斜面ＰＫ１と第１の基準面ＰＳ１との接続部であり、辺１４は第１の傾斜面ＰＫ１と第２の基準面ＰＳ２との接続部である。第１の傾斜面ＰＫ１はＹ方向に同一の形状を有し、Ｙ方向の任意の点において同じ傾斜角を有する。第１の傾斜面ＰＫ１は第１の面Ｐ１に対して平均角度θをなして傾斜している。平均角度θは、辺１３と辺１４とを含む平面と、第１の面Ｐ１とがなす鋭角である。本実施形態では、辺１３と辺１４とを結ぶ平面は第１の傾斜面ＰＫ１と一致する。第１の傾斜面ＰＫ１は、辺１１，１２の中点同士を結ぶ直線状の中心線１５を有している。中心線１５はＹ軸及びＳＹ軸と平行である。
図５に示すように、磁場検知素子７は第１及び第２の磁気抵抗効果素子（以下、第１及び第２のＭＲ素子２１Ａ，２１Ｂという）を有している。ＭＲ素子の数は限定されず、磁場検知素子７は複数のＭＲ素子を備えることができる。
図６は第１のＭＲ素子２１Ａの層構成を示す模式図である。第２のＭＲ素子２１Ｂは第１のＭＲ素子２１Ａと同じ層構成を有しているので、説明を省略する。第１のＭＲ素子２１Ａは、磁化方向が固定された磁化固定層２４と、磁場に応じて磁化方向が変化する磁化自由層２６と、磁化固定層２４と磁化自由層２６との間に配置されたスペーサ層２５と、を有している。第１のＭＲ素子２１Ａは、スペーサ層２５がトンネルバリア層であるＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子、スペーサ層２５が非磁性導電層であるＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子のいずれでもよい。磁化固定層２４とスペーサ層２５と磁化自由層２６は、センス電流を供給する下部電極２２と上部電極２８との間に挟まれている。第１のＭＲ素子２１Ａは、磁化固定層２４と下部電極２２との間に位置する下地層２３と、磁化自由層２６と上部電極２８との間に位置するキャップ層２７と、をさらに有している。
磁化自由層２６の磁化方向は外部磁場の角度によって変動する。磁化自由層２６の形状（後述するＳＸ－ＳＹ面内の形状）は円または楕円とすることができる。楕円の場合は、楕円の長軸と短軸がそれぞれ、中心線１５と略平行及び略垂直（または略垂直及び略平行）になることが好ましい。楕円の場合は、長軸と短軸の比率によって、後述する変換係数Ksを微調整することができる。第１及び第２のＭＲ素子２１Ａ，２１Ｂの抵抗値は、磁化自由層２６の磁化方向が磁化固定層２４の磁化方向に対してなす角度に応じて変化する。この角度が０°のときに抵抗値は最小値となり、角度が１８０°のときに抵抗値は最大値となる。第１及び第２のＭＲ素子２１Ａ，２１Ｂはこの原理に基づき、外部磁場の方向を検知することができる。
図５には磁化固定層２４の磁化方向を太線で示している。第１のＭＲ素子２１Ａと第２のＭＲ素子２１Ｂの磁化固定層２４の磁化方向は互いに異なる方向を向き、好ましくは互いに直交している。各磁化固定層２４の磁化方向は第１の傾斜面ＰＫ１の中心線１５と実質的に平行であり、または中心線１５と実質的に直交している。具体的には、第１のＭＲ素子２１Ａの磁化固定層２４の磁化方向は中心線１５（ＳＹ軸及びＹ軸）と実質的に平行であり、第２のＭＲ素子２１Ｂの磁化固定層２４の磁化方向は中心線１５と実質的に直交する（ＳＸ軸と平行である）。外部磁場によって、第１のＭＲ素子２１Ａと第２のＭＲ素子２１Ｂの磁化自由層２６の磁化方向は同じになる。第１のＭＲ素子２１Ａと第２のＭＲ素子２１Ｂの磁化固定層２４の磁化方向は互いに直交するので、第１のＭＲ素子２１Ａと第２のＭＲ素子２１Ｂの出力は９０度の位相差を生じる。例えば、第１のＭＲ素子２１Ａの出力がSin波となる場合、第２のＭＲ素子２１Ｂの出力は同じ位相のCos波となる。Sin波とCos波の出力からAtanを計算することで、外部磁場の方向を求めることができる。
第１のＭＲ素子２１Ａと第２のＭＲ素子２１Ｂは近接して配置されているため、印加される磁場の強度と向きはほぼ同じとみなせる。これより、磁場検知素子７は互いに異なる方向を向いた、好ましくは互いに直交する２つの磁場検知軸を有する。磁場検知素子７はＳＸ軸及びＳＹ軸を向いた磁場検知軸を有しているので、ＳＺ方向の磁化成分は検出することができない。換言すれば、磁場検知素子７はＳＸ軸とＳＹ軸を含む磁場検知面を有している。
ここで、磁場検知素子７の設置位置におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向の磁場強度をHX，HY，HZ、ＳＸ，ＳＹ，ＳＺ方向の磁場強度をHSX，HSY，HSZとすると、HSX，HSY，HSZはそれぞれ、以下のように表すことができる。なお、θは上述した平均角度θ、すなわち、第１の傾斜面ＰＫ１と第１の面Ｐ１（または第１及び第２の基準面ＰＳ１，ＰＳ２）のなす鋭角である。
HSX＝ HX cosθ＋HZsinθ （式１）
HSZ＝ HX sinθ＋HZcosθ （式２）
HSY＝ Hy （式３）
磁場検知素子７の設置位置での磁場強度は磁石２の回転とともに変化する。また、磁場検知素子７の設置位置での磁場ベクトル（磁場強度と磁場の向きを示すベクトル）も、磁石２の回転とともに変化する。このベクトルの始端を固定した場合、ベクトルの終端は磁石２の回転に伴い回転しリサージュを描く。リサージュにおける磁場強度の最小値（リサージュの最小径）に対する最大値（リサージュの最大径）の比をMFRとする。磁場強度が一定である場合（MFR＝１）、リサージュは真円となり、磁場強度が変化する場合（MFR＞１）、リサージュは楕円となる。
磁石２の回転によって発生する磁場はＸ－Ｙ－Ｚ座標系の方が把握しやすいが、磁場検知素子７に印加される磁場はＳＸ－ＳＹ－ＳＺ座標系の方が把握しやすい。そこで、以下の説明では、２つの座標系を参照する。図７（ａ）は比較例の外部磁場のＹ－Ｚ面におけるリサージュを示している。リサージュは真円であるので（MFR＝１）、Ｙ－Ｚ面において、磁場検知素子７の設置位置における磁場強度は一定である。図７（ｂ）は比較例の外部磁場のＳＸ－ＳＹ面におけるリサージュを示している。上述の通り、HX＝０であるので、上記変換式（１），（３）より
HSX＝ HZ sinθ （式４）
HSY＝ Hy （式５）
となる。従って、ＳＸ－ＳＹ面におけるリサージュ、すなわち磁場検知素子７が検知する磁場のリサージュは楕円形となる。
磁石２の回転角Ｑは
Ｑ＝atan(HSX/HSY)=atan(sinθ×(HZ/HY))＝atan(Ks×(HZ/HY)) （式６）
で求められる。Ksは、Ｙ－Ｚ面におけるＺ軸方向の磁場強度をＳＸ－ＳＹ面におけるＳＸ軸方向の磁場強度に変換するための変換係数で、sinθに等しい。
ここで、Max(HSY)/Max(HSX)と角度測定誤差との関係を計算によって求めた。図８（ａ）には磁場検知素子７とリング状の磁石２の平面図を、図８（ｂ）には図８（ａ）の側面図を示す。磁石２によって発生する回転磁場は磁場のシミュレーションによって求めた。磁場検知素子７のＭＲ素子の位置（磁石２の中心線からの径方向距離ΔＲ、及び磁石２の端面からの軸方向距離Ｇ）におけるMax(HSY)/Max(HSX)は、磁場のシミュレーション結果に基づき求められる。また、磁場のシミュレーション結果に基づき計算された角度Ｑと、磁石２の実際の回転角との差分を求めることで、当該位置での角度測定誤差が求められる。この様にして、多くの位置でMax(HY)/Max(HX)と角度測定誤差とを求め、それらの関係をプロットした。なお、Max(HSY)とMax(HSX)とMFRの関係は、
MFR ＝ Max(Max(HSY)/Max(HSX), Max(HSX)/Max(HSY))
である。
図８（ｃ）に計算結果を示す。Max(HSY)/Max(HSX)が１に近い場合、角度測定誤差が小さく、Max(HSY)/Max(HSX)と１との差が大きくなると角度測定誤差が大きくなる。換言すれば、磁場検知素子７の磁場検知面（ＳＸ－ＳＹ面）においてリサージュが真円に近いほど、磁気センサ１の角度測定誤差が減少し、真円からずれるほど磁気センサ１の角度測定誤差が増加する。比較例は、Ｙ－Ｚ面において真円である外部磁場のリサージュが、Ksの影響によって磁場検知面（ＳＸ－ＳＹ面）では楕円となり、磁気センサ１の角度測定誤差が増加することを示している。
図７（ｃ）は本実施形態の外部磁場（Ｙ－Ｚ面）のリサージュを示している。図７（ｄ）は本実施形態の外部磁場（ＳＸ－ＳＹ面）のリサージュを示している。MFR＞１であるので、Ｙ－Ｚ面のリサージュは楕円となる。しかし、Ks＝sinθであるので、ＳＸ－ＳＹ面のリサージュは真円になる。このように、本実施形態では、Ksの寄与によって磁気センサ１の角度測定誤差が減少する。また、本実施形態の磁気センサ１は、変換係数Ksを特別の回路を必要とせず内蔵しているといえる。
また、図７（ｃ）から分かる通り、Max(HSY)/Max(HSX)が１となる位置（径方向距離ΔＲと軸方向距離Ｇの組み合わせ）は限定されている。言い換えれば、ほとんどの場合で、Max(HSY)/Max(HSX)は１となっていない。本実施形態ではθを調整することでMax(HSY)/Max(HSX)＝１とすることが容易である。つまり、径方向距離ΔＲと軸方向距離Ｇに加えてθをパラメータとして利用することができるので、Max(HSY)/Max(HSX)＝１を満足する径方向距離ΔＲと軸方向距離Ｇの組み合わせが増加する。従って、磁気センサ１（センサパッケージ１１）の配置可能位置が増加し、配置自由度が高まる。
以上より、理想的にはＹ－Ｚ面でのMFRが(1/Ks)に等しいことが好ましい。しかし、近似的にこの関係が成り立てば磁気センサ１の角度測定誤差を低減することが可能である。従って、本実施形態では、(1/Ks)×0.8≦MFR≦(1/Ks)×1.2、好ましくは(1/Ks)×0.9≦MFR≦(1/Ks)×1.1、より好ましくは(1/Ks)×0.95≦MFR≦(1/Ks)×1.05が成り立つ。ここで、Ks＝sinθである。この関係は、例えば磁場検知素子７の位置を適切に選択することによって満足することができる。
このように、本実施形態では(1/Ks)がMFRに近くなるように第１の傾斜面ＰＫ１を第１の面Ｐ１に対して傾けているので、磁気センサ１の角度測定誤差が減少する。一方、第１の面Ｐ１は回転シャフト３の中心軸Ｃと実質的に平行であるので取付性が向上する。例えば、図２に示すように、磁気センサ１はセンサハウジング４の壁面のうち、中心軸Ｃと平行な壁面に取り付けることができる。磁気センサ１を中心軸Ｃに対し傾斜して取り付ける場合、センサハウジング４の取付け面を傾斜させる必要があり、取付構造が複雑化する。また、本実施形態では磁気センサ１をセンサハウジング４に効率的に収容することができるため、センサハウジング４、ひいてはブレーキシステム１０１の大型化やコストアップを抑制することが容易である。
（第２の実施形態）
図９は本発明の第２の実施形態を示す図３と同様の図である。本実施形態のＸ－Ｙ－Ｚ座標系では、Ｚ軸が回転シャフト３の中心軸Ｃと平行であり、Ｘ軸，Ｙ軸が回転シャフト３と直交している。つまり、第１の実施形態と比べ、Ｘ軸とＺ軸が入れ替わっている。また、第１の面Ｐ１を含む平面（Ｘ－Ｙ面）と中心軸Ｃが実質的に直交しており、Ｚ軸方向の磁場成分は実質的に０とみなすことができる。第２の実施形態はこれらの点を除き、第１の実施形態と同様である。実質的に直交とは、第１の面Ｐ１を含む平面と中心軸Ｃとがなす角度が８５度以上９５度以下であることをいう。
HSX，HSY，HSZ，HSX，HSY，HSZ，θは第１の実施形態と同様に定義する。HSX，HSY，HSZはそれぞれ、以下のように表すことができる。
HSX＝ HX cosθ＋HZsinθ （式７）
HSZ＝ -HX sinθ＋HZcosθ （式８）
HSY＝ Hy （式９）
HZ＝０であるので、上記変換式（７），（９）より
HSX＝ HX cosθ （式１０）
HSY＝ Hy （式１１）
となる。従って、ＳＸ－ＳＹ面におけるリサージュ、すなわち磁場検知素子７が検知する磁場のリサージュは真円となる。
磁石２の回転角Ｑは
Ｑ＝atan(HSX/HSY)=atan(cosθ×(HX/HY))＝atan(Ks×(HX/HY)) （式１２）
で求められる。Ksは、Ｘ－Ｙ面におけるＸ軸方向の磁場強度をＳＸ－ＳＹ面におけるＳＸ軸方向の磁場強度に変換するための変換係数で、cosθに等しい。本実施形態では、(1/Ks)×0.8≦MFR≦(1/Ks)×1.2、好ましくは(1/Ks)×0.9≦MFR≦(1/Ks)×1.1、より好ましくは(1/Ks)×0.95≦MFR≦(1/Ks)×1.05が成り立つ。ここで、Ks＝cosθである。この関係は、例えば磁場検知素子７の位置を適切に選択することによって満足することができる。
本実施形態では例えば、磁気センサ１を図２の符号Ａ１で示すモータケーシング１１５上、符号Ａ２で示すセンサハウジング４の上面に配置することができ、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
（第３の実施形態）
図１０（ａ）は、本発明の第３の実施形態の磁場検知素子７の側面図である。磁場検知素子７のＭＲ素子４１は第１の傾斜面ＰＫ１に沿って湾曲している。第１の傾斜面ＰＫ１は第１の面Ｐ１から離れる方向に凸状に突き出している。ＭＲ素子４１の層構成はＭＲ素子２１Ａ，２１Ｂと同様である。ＭＲ素子４１のそれぞれの層も第１の傾斜面ＰＫ１に沿って湾曲している。磁場検知素子７は、第１の面Ｐ１と第１の角度θ１をなす第１の端部４２と、第１の面Ｐ１と第２の角度θ２をなす第２の端部４３と、を有している。第２の角度θ２は第１の角度θ１より小さい
一般に、ＭＲ素子の各層の層厚（湾曲面に垂直な方向の寸法）は、傾斜面の角度が大きくなるに従って小さくなる。また、層厚の変化量は傾斜面の角度及び曲率が大きいほど大きくなる。一方、ＭＲ素子は通常、フォトレジストによって所定の形状に成形する。このため、フォトレジストレジストの位置ずれや寸法変化が生じた場合、傾斜面の角度や曲率の大きな領域では、ＭＲ素子の各層の層厚が変化しやすい。特に磁化自由層２６の層厚が設計上の値から大きく変動すると、ＭＲ素子の所望の特性が得られない可能性がある。
本実施形態では、第１の端部４２におけるＭＲ素子４１（磁場検知素子７）の曲率ｋ１が、第２の端部４３におけるＭＲ素子４１（磁場検知素子７）の曲率ｋ２よりも小さい。すなわち、磁化自由層２６の層厚の変化量が相対的に大きくなる位置において、第１の傾斜面ＰＫ１の曲率ｋ１を相対的に小さくしている。これにより、第１の傾斜面ＰＫ１の曲率が一定である場合、あるいは曲率ｋ１が曲率ｋ２よりも大きい場合と比べて、第１の端部４２の近傍における磁化自由層２６の層厚のばらつきを抑制することができる。
図１０（ｂ）は第３の実施形態の変形例のＭＲ素子４１の側面図である。本変形例では、第１の傾斜面ＰＫ１は第１の面Ｐ１に近づく方向に凹状に引き込んでいる。この点を除き、変形例は第３の実施形態と同様である。
（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態の磁場検知素子７の概略図であり、磁気センサ１の基体６と磁石２と回転シャフト３の側面図を示している。図１２は第４の実施形態の磁気センサ１の電気接続を示す図である。磁場検知素子７は第１及び第２の磁場検知素子７Ａ，７Ｂを含んでいる。基板１０の第２の面Ｐ２は、互いに逆方向に傾斜した第１の傾斜面ＰＫ１と第２の傾斜面ＰＫ２とを有している。第１の傾斜面ＰＫ１は第１の面Ｐ１に対し角度θ１をなし、第２の傾斜面ＰＫ２は第１の面Ｐ１に対し角度θ２をなしている。第１の磁場検知素子７Ａは第１の傾斜面ＰＫ１に沿って設けられ、第２の磁場検知素子７Ｂは第２の傾斜面ＰＫ２に沿って設けられている。第１の磁場検知素子７ＡのKs（以下、Ks1という）はsinθ１であり、第２の磁場検知素子７ＢのKs（以下、Ks2という）はsinθ２である。従って、ＳＸ軸方向の磁場強度は、第１及び第２の磁場検知素子７Ａ，７Ｂにおいてそれぞれ、Ｚ軸方向の磁場強度のKs1倍、Ks2倍に低減される。
第１の磁場検知素子７Ａの磁化固定層２４の磁化方向と第２の磁場検知素子７Ｂの磁化固定層２４の磁化方向は、Ｚ軸に関し同じ向きの成分（図１１において上向きの成分）を含んでいる。第１の磁場検知素子７Ａと第２の磁場検知素子７Ｂは電源端Ｖとグランド端ＧＮＤとの間で直列に接続され、信号取出し部Ｅは第１及び第２の磁場検知素子７Ａ，７Ｂと電源端Ｖの間に位置している。これより、Ｚ方向の磁場Hzは第１の磁場検知素子７ＡではHz×Ks1として検出され、第２の磁場検知素子７ＢではHz×Ks2として検出され、磁場検知素子７全体としてはHz×(Ks1＋Ks2)＝Hz×(sinθ１＋sinθ２)として検出される。
磁気センサ１の取付け誤差などにより、基板１０の第１の面Ｐ１が中心軸Ｃに対して傾いて取り付けられる場合がある。例えば、図１１において基板１０が全体的に反時計回りにΔθ回転した場合、Ks1＝sin(θ１+Δθ)、Ks2＝sin(θ２-Δθ)となる。しかし、Ks1は増加し、Ks2は減少するので、(Ks1＋Ks2)の変化は抑制される。従って、本実施形態では磁気センサ１の取付け誤差が生じても磁気センサ１の角度測定誤差への影響を抑えることができる。角度θ１と角度θ２は等しいことが好ましい。しかし、上述の説明から分かる通り、角度θ１と角度θ２が異なっていても上記の効果が得られるので、θ１＝θ２である必要はない。
以上本発明を実施形態によって説明したが、本発明の上述の実施形態に限定されない。例えば、第１の実施形態において、第１の傾斜面ＰＫ１の中心線１５はＹ方向に延びているが、Ｙ方向から傾いていてもよい。この場合でもHSX，HSYを求めることができるので、磁石の回転角を検知することができる。ただし、第１の傾斜面ＰＫ１の中心線１５がＸ方向に延びていると、HSX＝０になるため、式（６）よりＱ＝０となり回転角を検知できない。同様に、第２の実施形態においても、第１の傾斜面ＰＫ１の中心線１５はＹ方向から傾いていてもよい。ただし、第１の傾斜面ＰＫ１の中心線１５がＸ方向に延びている場合は除外される。
また、本発明の適用例としてブレーキシステムを説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は多極磁石と角度センサが使用されるシステムに適用できる。本発明は例えば、スマートウォッチなどの電子時計の竜頭などにも適用することができる。
（付記）本明細書は以下の開示を含む。
［構成１］
中心軸の周りを回転する磁石が発生する磁場を検知する第１の磁場検知素子と、
第１の面と前記第１の面の裏面である第２の面とを有し、前記第２の面が前記第１の面に対して傾斜した第１の傾斜面を含む基板と、を有し、
前記第１の磁場検知素子は前記第１の傾斜面に沿って設けられ、
前記磁石は前記中心軸から間隔をあけて設けられ、前記中心軸の周方向に沿って極性が交互に入れ替わり、
前記第１の面は前記中心軸と実質的に平行であり、
前記第１の傾斜面は前記第１の面に対して平均角度θをなして傾斜し、
前記中心軸と直交する面内において、前記第１の磁場検知素子の設置位置での磁場強度は前記磁石の回転に伴い変化し、前記面内における前記磁場強度の最小値に対する最大値の比をMFRとしたときに、
(1/Ks)×0.8≦MFR≦(1/Ks)×1.2（但し、Ks＝sinθ）を満足する、磁気センサ。
［構成２］
前記第１の面と前記中心軸は平行であり、または前記第１の面を含む平面と前記中心軸とがなす鋭角が５度以下である、構成１に記載の磁気センサ。
［構成３］
中心軸の周りを回転する磁石が発生する磁場を検知する第１の磁場検知素子と、
第１の面と前記第１の面の裏面である第２の面とを有し、前記第２の面が前記第１の面に対して傾斜した第１の傾斜面を含み、前記第１の傾斜面に沿って前記第１の磁場検知素子が設けられた基板と、を有し、
前記磁石は前記中心軸から間隔をあけて設けられ、前記中心軸の周方向に沿って極性が交互に入れ替わり、
前記第１の面を含む平面は前記中心軸と実質的に直交しており、
前記第１の傾斜面は前記第１の面に対して平均角度θをなして傾斜し、
前記中心軸と直交する面内において、前記第１の磁場検知素子の設置位置での磁場強度は前記磁石の回転に伴い変化し、前記面内における前記磁場強度の最小値に対する最大値の比をMFRとしたときに、
(1/Ks)×0.8≦MFR≦(1/Ks)×1.2（但し、Ks＝cosθ）を満足する、磁気センサ。
［構成４］
前記第１の面を含む前記平面と前記中心軸とがなす角度は８５度以上９５度以下である、構成３に記載の磁気センサ。
［構成５］
(1/Ks)×0.9≦MFR≦(1/Ks)×1.1を満足する、構成１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
［構成６］
(1/Ks)×0.95≦MFR≦(1/Ks)×1.05を満足する、構成１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
［構成７］
前記第１の磁場検知素子は第１及び第２の磁気抵抗効果素子を有し、各磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、磁場に応じて前記磁化方向が変化する磁化自由層と、を有し、
前記第１の傾斜面は４つの辺と、互いに対向する前記辺の中点同士を結ぶ直線状の中心線を有し、前記第１の磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化方向は前記中心線と実質的に平行であり、前記第２の磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化方向は前記中心線と実質的に直交する、構成１から６のいずれか１項に記載の磁気センサ。
［構成８］
前記第１の磁場検知素子と電気的に接続された電気配線部材を有し、前記基板は前記第１の面で前記電気配線部材に支持されている、構成１から７のいずれか１項に記載の磁気センサ。
［構成９］
前記磁場検知素子は前記第１の傾斜面に沿って湾曲している、構成１から８のいずれか１項に記載の磁気センサ。
［構成１０］
前記第１の磁場検知素子は、前記第１の面と第１の角度をなす第１の端部と、前記第１の面と第２の角度をなす第２の端部と、を有し、
前記第２の角度は前記第１の角度より小さく、
前記第１の端部における前記第１の磁場検知素子の曲率は、前記第２の端部における前記第１の磁場検知素子の曲率よりも小さい、構成９に記載の磁気センサ。
［構成１１］
前記磁石が発生する磁場を検知する第２の磁場検知素子を有し、
前記第２の面は、前記第１の傾斜面と逆方向に傾斜した第２の傾斜面を有し、
前記第２の磁場検知素子は前記第２の傾斜面に沿って設けられ、
前記第１の磁場検知素子と前記第２の磁場検知素子は電源端とグランド端との間で直列に接続されている、構成１から１０のいずれか１項に記載の磁気センサ。
［構成１２］
構成１から１１のいずれか１項に記載に磁気センサと、
前記磁石と、を有する回転角検知装置。
［構成１３］
構成１２に記載の回転角検知装置と、
前記中心軸の周りを回転する回転シャフトを備え、電動ブースターとして作動するモータと、を有し、
前記磁石が前記回転シャフトの側面に取り付けられた、ブレーキシステム。
１ 磁気センサ
２ 磁石
３ 回転シャフト
５ 回転角検知装置
７，７Ａ，７Ｂ 磁場検知素子
８ 電気配線部材
１０ 基板
１５ 中心線
２１Ａ 第１の磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）
２１Ｂ 第２の磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）
４１ 磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）
２４ 磁化固定層
２６ 磁化自由層
４２ 第１の端部
４３ 第２の端部
１０１ ブレーキシステム
１０８ モータ
Ｃ 中心軸
Ｐ１ 第１の面
Ｐ２ 第２の面
ＰＫ１ 第１の傾斜面
ＰＫ２ 第２の傾斜面

Claims (13)

  1. 中心軸の周りを回転する磁石が発生する磁場を検知する第１の磁場検知素子と、
    第１の面と前記第１の面の裏面である第２の面とを有し、前記第２の面が前記第１の面に対して傾斜した第１の傾斜面を含む基板と、を有し、
    前記第１の磁場検知素子は前記第１の傾斜面に沿って設けられ、
    前記磁石は前記中心軸から間隔をあけて設けられ、前記中心軸の周方向に沿って極性が交互に入れ替わり、
    前記第１の面は前記中心軸と実質的に平行であり、
    前記第１の傾斜面は前記第１の面に対して平均角度θをなして傾斜し、
    前記中心軸と直交する面内において、前記第１の磁場検知素子の設置位置での磁場強度は前記磁石の回転に伴い変化し、前記面内における前記磁場強度の最小値に対する最大値の比をMFRとしたときに、
    (1/Ks)×0.8≦MFR≦(1/Ks)×1.2（但し、Ks＝sinθ）を満足する、磁気センサ。
  2. 前記第１の面と前記中心軸は平行であり、または前記第１の面を含む平面と前記中心軸とがなす鋭角が５度以下である、請求項１に記載の磁気センサ。
  3. 中心軸の周りを回転する磁石が発生する磁場を検知する第１の磁場検知素子と、
    第１の面と前記第１の面の裏面である第２の面とを有し、前記第２の面が前記第１の面に対して傾斜した第１の傾斜面を含み、前記第１の傾斜面に沿って前記第１の磁場検知素子が設けられた基板と、を有し、
    前記磁石は前記中心軸から間隔をあけて設けられ、前記中心軸の周方向に沿って極性が交互に入れ替わり、
    前記第１の面を含む平面は前記中心軸と実質的に直交しており、
    前記第１の傾斜面は前記第１の面に対して平均角度θをなして傾斜し、
    前記中心軸と直交する面内において、前記第１の磁場検知素子の設置位置での磁場強度は前記磁石の回転に伴い変化し、前記面内における前記磁場強度の最小値に対する最大値の比をMFRとしたときに、
    (1/Ks)×0.8≦MFR≦(1/Ks)×1.2（但し、Ks＝cosθ）を満足する、磁気センサ。
  4. 前記第１の面を含む前記平面と前記中心軸とがなす角度は８５度以上９５度以下である、請求項３に記載の磁気センサ。
  5. (1/Ks)×0.9≦MFR≦(1/Ks)×1.1を満足する、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  6. (1/Ks)×0.95≦MFR≦(1/Ks)×1.05を満足する、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  7. 前記第１の磁場検知素子は第１及び第２の磁気抵抗効果素子を有し、各磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、磁場に応じて前記磁化方向が変化する磁化自由層と、を有し、
    前記第１の傾斜面は４つの辺と、互いに対向する前記辺の中点同士を結ぶ直線状の中心線を有し、前記第１の磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化方向は前記中心線と実質的に平行であり、前記第２の磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層の磁化方向は前記中心線と実質的に直交する、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  8. 前記第１の磁場検知素子と電気的に接続された電気配線部材と、前記基板を備えたセンサパッケージと、を有し、前記センサパッケージは、前記第１の面が前記電気配線部材と略平行となる向きで、前記電気配線部材に支持されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  9. 前記磁場検知素子は前記第１の傾斜面に沿って湾曲している、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  10. 前記第１の磁場検知素子は、前記第１の面と第１の角度をなす第１の端部と、前記第１の面と第２の角度をなす第２の端部と、を有し、
    前記第２の角度は前記第１の角度より小さく、
    前記第１の端部における前記第１の磁場検知素子の曲率は、前記第２の端部における前記第１の磁場検知素子の曲率よりも小さい、請求項９に記載の磁気センサ。
  11. 前記磁石が発生する磁場を検知する第２の磁場検知素子を有し、
    前記第２の面は、前記第１の傾斜面と逆方向に傾斜した第２の傾斜面を有し、
    前記第２の磁場検知素子は前記第２の傾斜面に沿って設けられ、
    前記第１の磁場検知素子と前記第２の磁場検知素子は電源端とグランド端との間で直列に接続されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサ。
  12. 請求項１から４のいずれか１項に記載に磁気センサと、
    前記磁石と、を有する回転角検知装置。
  13. 請求項１２に記載の回転角検知装置と、
    前記中心軸の周りを回転する回転シャフトを備え、電動ブースターとして作動するモータと、を有し、
    前記磁石が前記回転シャフトの側面に取り付けられた、ブレーキシステム。
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