JP5137755B2 - 回転センサ - Google Patents

Description

本発明は、被検出回転体の回転角度を検出する回転センサに関する。特に、磁石の回転中心軸の軸ずれまたは位置ずれによって生じる回転角度の誤差を低減することが可能な回転センサに関する。

従来から、回転センサとして、回転体に固定した磁石と、磁気の強さを検出する磁気検出器とを組合せ、回転体を磁気検出器に対して、磁石とともに回転させることにより、回転角度を検出する構成の装置が開発され、例えば、車両用エンジン、ステアリングホイール、ＤＣモータ等の様々な分野に利用されている。特に、磁気検出器としてホール素子を使用した回転センサが開発され、利用されている。

このような回転センサにおいては正確な回転角度を検知することが重要である。例えば、横方向からの力が加わることによって生じる回転軸（回転中心軸）の軸ずれにより、角度誤差が大きくなってしまう場合がある。このような軸ずれによる角度誤差を低減させるために、様々な構成の回転センサが提案されている。

例えば、特許文献１では、図１３に示すような磁気発生部（磁石９１）の磁気センサ（ホール素子９２ａ、９２ｂ）に対向する部分が、周辺部分の方がその他の部分より磁気センサとの距離が大になるように構成する回転角度センサが提案されている。ここで、図１３（ａ）は、磁気発生部の底面図であり、図１３（ｂ）は、磁気発生部の底面図である。
特開２００５−２９１９４２号公報

例えば、特許文献１に示した磁石９１がθだけ回転したときに、ホール素子９２ａ及び９２ｂから出力されて磁束密度は、図１４に示すような波形になる。ここで、ホール素子９２ａからの出力がＨＡであり、ホール素子９２ｂからの出力がＨＢである。しかしながら、図１５のように磁石９１が傾いた場合、ホール素子９２ｂと磁石９１との距離が離れるため、図１６に示すように、ホール素子９２ａ及び９２ｂから出力されて変換された磁束密度は、ホール素子９２ｂの磁束密度のみが小さく出力されてしまう。したがって、上述したようなホール素子９２ａ及び９２ｂの磁束密度の出力値の違いによって角度誤差が大きくなってしまうという問題点があった。

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、磁石の回転中心軸の軸ずれまたは位置ずれによって生じる回転角度の誤差を低減することが可能な回転センサを提供することを目的とする。

上述した従来の問題点を解決すべく下記の発明を提供する。
本発明の第１の態様にかかる回転センサは、被検出回転体に固定され、当該被検出回転体とともに回転し、回転中心軸を含む平面上の断面形状が当該回転中心軸の周りの全周で等しい磁石と、前記磁石の磁界の強さに基づいた電気量の信号を出力する複数個の磁気検出部と、を備えた前記電気信号に基づいて前記被検出回転体の角度を検知する回転センサにおいて、前記磁石は、１つの共通面を有する前記回転中心軸の近傍部と、前記近傍部の外側の第１外周部と、前記第１外周部の外側の第２外周部とを有し、前記近傍部の前記回転中心軸に平行な方向の厚さは、前記第１外周部及び前記第２外周部の前記回転中心軸に平行な方向の厚さよりも厚く、前記近傍部の側面と、前記近傍部の前記共通面とは反対側の面を含む平面と、前記磁石の最外周面を含む曲面と、前記第１外周部及び前記第２外周部の前記共通面とは反対側の面を含む平面と、に囲まれた空間の前記回転中心軸に平行な断面の断面積は前記磁気検出器の前記回転中心軸に平行な断面の断面積より大きいことを特徴とする。

このような構成により、磁石の回転中心軸の軸ずれまたは位置ずれによって生じる回転角度の誤差を低減させることができる。従って、正確な回転角度を検出することができる。例えば、鉛直方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直行する平面上の互いに直行する２方向をＸ方向及びＹ方向としたとき、磁石の回転中心軸がＺ方向とずれたり、Ｘ方向やＹ方向に回転中心軸がずれたりして、磁石と各磁気検出部との距離が異なってしまう場合であっても、角度誤差の少ない検出結果を出力することができる。

本発明の第２の態様にかかる回転センサは、本発明の第１の態様にかかる回転センサにおいて、前記磁気検出器の検出面は前記空間に配置されていることを特徴とする。

このような構成により、磁石の回転中心軸の軸ずれまたは位置ずれによって生じる回転角度の誤差をより低減させることができる。従って、より正確な回転角度を検出することができる。

本発明の第３の態様にかかる回転センサは、被検出回転体に固定され、当該被検出回転体とともに回転し、回転中心軸を含む平面上の断面形状が当該回転中心軸の周りの全周で等しい磁石と、前記磁石の磁界の強さに基づいた電気量の信号を出力する複数個の磁気検出部と、を備えた前記電気信号に基づいて前記被検出回転体の角度を検知する回転センサにおいて、前記磁石は、前記回転中心軸の近傍部と、前記近傍部の外側の第１外周部と、前記第１外周部の外側の第２外周部とを有し、前記近傍部の前記回転中心軸に平行な方向の厚さは、前記第１外周部及び前記第２外周部の前記回転中心軸に平行な方向の厚さよりも厚く、前記磁気検出部は、前記回転中心軸に対して略垂直な前記第１外周部の２面の内のどちらか一方の面と、前記第１外周部の前記一方の面と同じ側に位置する前記第２外周部の面との、どちらかの面または両方の面に、当該磁気検出部の検出面が対向するように配置され、前記第１外周部の前記一方の面と、前記第１外周部の前記一方の面と同じ側に位置する前記第２外周部の面とが、ともに前記磁気検出部の前記検出面に対して、略平行となるように形成されていることを特徴とする。

このような構成により、磁石の回転中心軸の軸ずれまたは位置ずれによって生じる回転角度の誤差を低減させることができる。従って、正確な回転角度を検出することができる。例えば、鉛直方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直行する平面上の互いに直行する２方向をＸ方向及びＹ方向としたとき、磁石の回転中心軸がＺ方向とずれたり、Ｘ方向やＹ方向に回転中心軸がずれたりして、磁石と各磁気検出部との距離が異なってしまう場合であっても、角度誤差の少ない検出結果を出力することができる。

本発明の第４の態様にかかる回転センサは、本発明の第３の態様にかかる回転センサにおいて、前記回転中心軸に平行な方向の前記近傍部の厚さをｔ１、前記第１外周部の厚さをｔ２、前記第２外周部の最大厚さをｔ３とし、前記回転中心軸に直行する方向の、前記近傍部の外側面から前記第２外周部の内側面までの最大距離をｄ１とし、前記第２外周部の内側面から外側面までの距離をｄ４とし、前記近傍部の内側面から前記第２外周部の外側面までの最大距離をｄ２とし、前記近傍部の内側面から外側面までの距離をｄ３としたとき、
ｄ３≒ｄ４ 、かつ、
０．２×ｄ２＜ｄ１＜０．８×ｄ２ 、かつ、
ｔ１＞ｔ３≧ｔ２ 、かつ、 ０．２×ｔ１＜ｔ３＜０．８×ｔ１
の条件を満足することを特徴とする。

このような構成により、磁石の回転中心軸の軸ずれまたは位置ずれによって生じる回転角度の誤差をより低減させることができる。従って、より正確な回転角度を検出することができる。

本発明の第５の態様にかかる回転センサは、本発明の第１から４のいずれか１つの態様にかかる回転センサにおいて、前記磁気検出部の感受方向が、前記磁石の前記回転中心軸と平行な方向であることを特徴とする。

本発明の第６の態様にかかる回転センサは、本発明の第１から４のいずれか１つの態様にかかる回転センサにおいて、前記磁気検出器を配置する側の前記第１外周部の面と前記磁気検出部の検出面との距離よりも、前記磁気検出器を配置する側の前記第２外周部の面と前記磁気検出部の検出面との距離が小となり、更に、前記磁気検出器を配置する側の前記第２外周部の面が前記磁気検出部の検出面に略平行となるように形成されていることを特徴とする。

このような構成により、回転センサを基板上に実装する場合、基板に穴を開けることなく、回転センサを基板上に実装することができる。したがって、基板のパターン面積を広く取ることができる。

本発明の第７の態様にかかる回転センサは、本発明の第６の態様にかかる回転センサにおいて、前記回転中心軸に平行な方向の前記近傍部の厚さをｔ１、前記第１外周部の厚さをｔ２、前記第２外周部の最大厚さをｔ３とし、前記回転中心軸に直行する方向の、前記近傍部の外側面から前記第２外周部の内側面までの最大距離をｄ１とし、前記第２外周部の内側面から外側面までの距離をｄ４とし、前記近傍部の内側面から前記第２外周部の外側面までの最大距離をｄ２とし、前記近傍部の内側面から外側面までの距離をｄ３としたとき、
ｄ３≒ｄ４ 、かつ、
０．２×ｄ２＜ｄ１＜０．８×ｄ２ 、かつ、
ｔ１＞ｔ３＞ｔ２ 、かつ、 ０．２×ｔ１＜ｔ３＜０．８×ｔ１
の条件を満足することを特徴とする。

このような構成により、磁石の回転中心軸の軸ずれまたは位置ずれによって生じる回転角度の誤差をより低減させることができる。従って、より正確な回転角度を検出することができる。

本発明の第８の態様にかかる回転センサは、本発明の第１から７のいずれか１つの態様にかかる回転センサにおいて、前記磁石は、前記回転中心軸に直行する方向にＳＮ極が配置されていることを特徴とする。
ここで、前記回転中心軸に直行する面内に複数のＳＮ極が配置されていても良い。

本発明の第９の態様にかかる回転センサは、本発明の第１から８のいずれか１つの態様にかかる回転センサにおいて、前記磁気検出部は、ホール素子であることを特徴とする。

本発明によれば、磁石の回転中心軸の軸ずれまたは位置ずれによって生じる回転角度の誤差を低減させることができる。従って、正確な回転角度を検出することができる。例えば、鉛直方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直行する平面上の互いに直行する２方向をＸ方向及びＹ方向としたとき、磁石の回転中心軸がＺ方向とずれたり、Ｘ方向やＹ方向に回転中心軸がずれたりして、磁石と各磁気検出部との距離が異なってしまう場合であっても、角度誤差の少ない検出結果を出力することができる。

また、回転センサを基板上に実装する場合、基板に穴を開けることなく、回転センサを基板上に実装することができる。したがって、基板のパターン面積を広く取ることができる。

この発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なもので置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。

図１は、本発明を適用可能な回転センサの基本構造の一例を示す図である。図１（ａ）は磁石の底面図であり、図１（ｂ）は磁石の側面図であり、図１（ｃ）は磁石の回転中心軸を含む平面での磁石の断面図であり、図１（ｄ）は磁石の上面図である。尚、ここでは、回転センサの基本構造として、磁石と、磁石の磁界の強さを検知して、磁界の強さに基づいた電気量の信号を出力する磁気検出部である２個のホール素子の位置関係を示している。

図１に示すように、回転センサ１０は、磁石１１、ホール素子１２ａ及び１２ｂを備え、被検出回転体（図示略）の回転角度を検出する。磁石１１は、被検出回転体に固定され、被検出回転体とともに回転する。ホール素子１２ａ及び１２ｂは、図１に示すように磁石１１の回転中心軸１３に平行な方向の磁気の強さの変化を検出できるように配置されている。

磁石１１の形状は、回転中心軸１３を含む平面上の断面形状が回転中心軸１３の周りの全周で等しい形状であり、回転中心軸１３の近傍の近傍部１１ａ、近傍部１１ａの外側の第１外周部１１ｂと、最外周となる第１外周部の外側の第２外周部１１ｃとから構成されている。尚、近傍部１１ａ、第１外周部１１ｂ及び第２外周部１１ｃは、磁石１１の領域範囲を説明するための名称である。また、磁石１１は、径方向（即ち、回転中心軸１３に直行する方向）にＳ極、Ｎ極が配置されている（図１（ｄ）参照）。ここで、Ｓ極、Ｎ極がそれぞれ１つとなるように配置されているが、径方向に複数個のＳ極、Ｎ極が配置されていても良い。

また、近傍部１１ａ、第１外周部１１ｂ及び第２外周部１１ｃは、回転中心軸１３に概ね直行する１つの共通面１１ｄを有し、回転中心軸１３に平行な方向の近傍部１１ａの厚さｔ１は、回転中心軸１３に平行な方向の第１外周部１１ｂの厚さｔ２及び回転中心軸１３に平行な方向の第２外周部１１ｃの厚さｔ３よりも厚くなるように形成されている。また、回転中心軸１３に平行な方向の第２外周部１１ｃの厚さｔ３は回転中心軸１３に平行な方向の第１外周部１１ｂの厚さｔ２よりも厚くなるように形成されている。または、近傍部１１ａ、第１外周部１１ｂ及び第２外周部１１ｃの共通面１１ｄとは反対側のそれぞれの面１１ｅ、１１ｆ及び１１ｇは、共通面１１ｄに略平行となるように形成されている。

即ち、図１（ｃ）に示すように、近傍部１１ａは、径方向（即ち、回転中心軸１３に直行する方向）の幅がｄ３で、回転中心軸１３に平行な方向の厚さがｔ１の円筒形状の領域範囲となり、第１外周部１１ｂは、径方向がｄ１の幅で、回転中心軸１３に平行な方向の厚さがｔ２の円筒形状の領域範囲となり、第２外周部１１ｃは、径方向がｄ４の幅で、回転中心軸１３に平行な方向の厚さがｔ３の円筒形状の領域範囲となるように、磁石１１は形成されている。ここで、磁石１１の径方向の幅をｄ２とし、回転中心軸１３から近傍部１１ａの内側面までの距離をｄ５とし、回転中心軸１３から第２外周部１１ｃの外側面までの距離をｄ６としたとき、ｄ２＝ｄ１＋ｄ３＋ｄ４、及び、ｄ６＝ｄ５＋ｄ２である。また、ｔ１＞ｔ３＞ｔ２を満足するように形成されている。また、回転中心軸１３に直行し、近傍部１１ａのｔ１／２の厚さの位置を通る平面１４を磁石１１の厚さ方向の基準平面とする。

更に、下記の関係式（１）、（２）、及び（３）を満足するように磁石１１は形成されていることが望ましい。

ｄ３≒ｄ４ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
０．２×ｄ２＜ｄ１＜０．８×ｄ２ ・・・・・・・・・（２）
０．２×ｔ１＜ｔ３＜０．８×ｔ１ ・・・・・・・・・（３）
尚、図１では、近傍部１１ａを円筒形状の領域範囲としているが、径方向の半径がｄ３で、回転中心軸１３に平行な方向の厚さがｔ１の円柱形状の領域範囲となるように、磁石１１の近傍部１１ａを形成しても良い。

また、近傍部１１ａの外側面１５ａと、近傍部１１ａの面１１ｅを含む平面１５ｂと、磁石１１の最外周面を含む曲面１５ｃと、第２外周部１１ｃの面１１ｇを含む平面１５ｄとに囲まれた空間１５の中に、ホール素子１２ａ及び１２ｂは配置される。更に、ホール素子１２ａの中心から回転中心軸１３に直行する直線と、ホール素子１２ｂの中心から回転中心軸１３に直行する直線とが、略９０°となるように、ホール素子１２ａ及び１２ｂは配置される。

図２は、ホール素子の感磁面（検出面）を説明するための図である。図２（ａ）は、ホール素子の上面図であり、図２（ｂ）は、ホール素子の断面図である。図２に示すように、感磁面１６は、ホール素子１２の中心Ｏに円形状に形成されている。また、図１に示すように、空間１５において、感磁面１６が共通面１１ｄ（即ち、第１外周部１１ｂの面１１ｆ及び第２外周部１１ｃの面１１ｇ）に対して概ね平行な面となるように、ホール素子１２ａ及び１２ｂは配置されている。

上述したような回転センサ１０を使用することにより、磁石１０の回転中心軸１３の軸ずれまたは位置ずれによって生じる回転角度の誤差を低減させることができる。従って、正確な回転角度を検出することができる。また、回転センサ１０を基板上に実装する場合、基板に穴を開けることなく、回転センサ１０を基板上に実装することができる。したがって、基板のパターン面積を広く取ることができる。

図３は、本発明を適用可能な別の回転センサの基本構造の一例を示す図である。図３（ａ）は磁石の底面図であり、図３（ｂ）は磁石の側面図であり、図３（ｃ）は磁石の回転中心軸を含む平面での磁石の断面図である。ここでは、図１に示した回転センサ１０と異なる点を説明する。

図３に示すように、回転センサ２０は、磁石２１、ホール素子２２ａ及び２２ｂを備え、被検出回転体（図示略）の回転角度を検出する。磁石２１は、被検出回転体に固定され、被検出回転体とともに回転する。ホール素子２２ａ及び２２ｂは、図３に示すように磁石１１の回転中心軸２３に平行な方向の磁気の強さの変化を検出できるように配置されている。

磁石２１の形状は、回転中心軸２３を含む平面上の断面形状が回転中心軸２３の周りの全周で等しい形状であり、回転中心軸２３の近傍の近傍部２１ａ、近傍部２１ｂの外側の第１外周部２１ｂと、最外周となる第１外周部の外側の第２外周部２１ｃとから構成されている。

また、近傍部２１ａ、第１外周部２１ｂ及び第２外周部２１ｃは、回転中心軸２３に概ね直行する１つの共通面２１ｄを有し、回転中心軸２３に平行な方向の近傍部２１ａの厚さｔ１は、回転中心軸２３に平行な方向の第１外周部２１ｂの厚さｔ２及び回転中心軸２３に平行な方向の第２外周部２１ｃの厚さｔ３よりも厚くなるように形成されている。また、回転中心軸２３に平行な方向の第２外周部２１ｃの厚さｔ３と回転中心軸２３に平行な方向の第１外周部２１ｂの厚さｔ２は同じになるように形成されている。または、近傍部２１ａ、第１外周部２１ｂ及び第２外周部２１ｃの共通面２１ｄとは反対側のそれぞれの面２１ｅ、２１ｆ及び２１ｇは、共通面２１ｄに略平行となるように形成されている。

即ち、図３（ｃ）に示すように、近傍部２１ａは、径方向（即ち、回転中心軸２３に直行する方向）の幅がｄ３で、回転中心軸１３に平行な方向の厚さがｔ１の円筒形状の領域範囲となり、第１外周部２１ｂは、径方向がｄ１の幅で、回転中心軸２３に平行な方向の厚さがｔ２の円筒形状の領域範囲となり、第２外周部２１ｃは、径方向がｄ４の幅で、回転中心軸２３に平行な方向の厚さがｔ３の円筒形状の領域範囲となるように、磁石１１は形成されている。ここで、磁石２１の径方向の幅をｄ２とし、回転中心軸２３から近傍部２１ａの内側面までの距離をｄ５とし、回転中心軸２３から第２外周部２１ｃの外側面までの距離をｄ６としたとき、ｄ２＝ｄ１＋ｄ３＋ｄ４、及び、ｄ６＝ｄ５＋ｄ２である。また、ｔ１＞ｔ３＝ｔ２を満足するように形成されている。また、回転中心軸２３に直行し、近傍部２１ａのｔ１／２の厚さの位置を通る平面２４を磁石２１の厚さ方向の基準平面とする。

尚、図３では、近傍部２１ａを円筒形状の領域範囲としているが、径方向の半径がｄ３で、回転中心軸２３に平行な方向の厚さがｔ１の円柱形状の領域範囲となるように、磁石２１の近傍部２１ａを形成しても良い。

また、近傍部２１ａの外側面２５ａと、近傍部２１ａの面２１ｅを含む平面２５ｂと、磁石２１の最外周面を含む曲面２５ｃと、第１外周部２１ｂの面２１ｆ及び第２外周部２１ｃの面２１ｇからなる面２５ｄとに囲まれた空間２５の中に、ホール素子２２ａ及び２２ｂは配置される。ここで、検出面のみが空間２５の中に配置されていてもよい。更に、ホール素子２２ａの中心から回転中心軸２３に直行する直線と、ホール素子２２ｂの中心から回転中心軸２３に直行する直線とが、略９０°となるように、ホール素子２２ａ及び２２ｂは配置される。また、空間２５において、感磁面１６が共通面２１ｄ（即ち、第１外周部２１ｂの面２１ｆ及び第２外周部２１ｃの面２１ｇ）に対して概ね平行な面となるように、ホール素子２２ａ及び２２ｂは配置されている。

図４は、図１に示した回転センサ１０に使用した磁石１１の一変形例を示す回転中心軸を含む平面での磁石の断面図である。

図４に示すように、磁石３１の形状は、回転中心軸２３を含む平面上の断面形状が回転中心軸２３の周りの全周で等しい形状であり、回転中心軸３３の近傍の近傍部３１ａ、近傍部３１ｂの外側の第１外周部３１ｂと、最外周となる第１外周部の外側の第２外周部３１ｃとから構成されている。

また、近傍部３１ａ、第１外周部３１ｂ及び第２外周部３１ｃは、回転中心軸３３に概ね直行する１つの共通面３１ｄを有し、回転中心軸３３に平行な方向の近傍部３１ａの厚さｔ１は、回転中心軸３３に平行な方向の第１外周部３１ｂの厚さｔ２及び回転中心軸３３に平行な方向の第２外周部３１ｃの厚さｔ３よりも厚くなるように形成されている。また、回転中心軸３３に平行な方向の第２外周部３１ｃの厚さｔ３は回転中心軸３３に平行な方向の第１外周部３１ｂの厚さｔ２よりも厚くなるように形成されている。または、近傍部３１ａ及び第１外周部３１ｂの共通面３１ｄとは反対側のそれぞれの面３１ｅ、３１ｆ及び３１ｇは、共通面３１ｄに略平行となるように形成されている。また、第２外周部３１ｃの上面の円周部が傾斜または曲面を形成するように面取りされている。また、第２外周部３１ｃの内側面は、面取りされた外側面と略平行となるように、第１外周部３１ｂの近傍が傾斜または曲面を形成している。

また、近傍部３１ａの外側面３５ａと、近傍部３１ａの面３１ｅを含む平面３５ｂと、磁石３１の最外周面を含む曲面３５ｃと、第２外周部３１ｃの面３１ｇを含む平面３５ｄとに囲まれた空間３５の中に、ホール素子３２ａ及び３２ｂは配置される。更に、ホール素子３２ａの中心から回転中心軸３３に直行する直線と、ホール素子３２ｂの中心から回転中心軸３３に直行する直線とが、略９０°となるように、ホール素子３２ａ及び３２ｂは配置される。また、空間３５において、感磁面１６が共通面３１ｄ（即ち、第１外周部３１ｂの面３１ｆ及び第２外周部３１ｃの面３１ｇ）に対して概ね平行な面となるように、ホール素子３２ａ及び３２ｂは配置されている。

本実施例では、本発明の回転センサを使用して測定した角度誤差と従来の回転センサを使用して測定した角度誤差とを比較し、角度誤差の低減効果を調査した。ここで、鉛直方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直行する平面上の互いに直行する２方向をＸ方向及びＹ方向としたときの、回転中心軸１３とＺ方向とのずれによるＺ傾きの誤差、並びに、回転中心軸１３のＸ方向及びＹ方向へのずれによるＸＹの誤差を調査した。

（実施例１）
実施例１として、図１に示した回転センサ１０を使用したときの調査結果を示す。実施例１に使用した磁石１１の形状は、近傍部１１ａの径方向の幅ｄ３が１．５ｍｍで、回転中心軸１３に平行な方向の厚さｔ１が５ｍｍであり、第１外周部１１ｂの径方向の幅ｄ１が２ｍｍで、回転中心軸１３に平行な方向の厚さｔ２が１．５ｍｍであり、第２外周部１１ｃの径方向の幅ｄ４が１．５ｍｍで、回転中心軸１３に平行な方向の厚さｔ３が３ｍｍである。また、回転中心軸１３から近傍部１１ａの内側面までの距離ｄ５は１ｍｍであり、回転中心軸１３から第２外周部１１ｃの外側面までの距離ｄ６は６ｍｍである。

図５は、上述した形状の磁石１１によるホール素子１２ａ（または１２ｂ）のＺ方向及びＸ方向の位置の違いによる磁束密度の変化を測定した結果である。縦軸は磁束密度を示し、横軸は回転中心軸１３からホール素子１２ａ（または１２ｂ）の中心位置までの径方向（回転中心軸１３に直行する方向：Ｘ方向）の距離を示している。

図５に示すように、ホール素子１２ａ（または１２ｂ）のＺ方向の位置が−２．４ｍｍのとき、即ち、基準平面１４からの距離が下方に２．４ｍｍのときに、最も磁束密度の変化の少ないことがわかった。また、ホール素子１２ａ（または１２ｂ）のＸ方向の位置が４．５±０．６ｍｍのとき、最も磁束密度の変化の少ないことがわかった。

したがって、ホール素子１２ａ及び１２ｂのそれぞれの中心位置は、径方向（回転中心軸１３に直行する方向）の回転中心軸１３からの距離が４．５ｍｍの位置となり、かつ、回転中心軸１３に平行な方向の基準平面１４からの距離が２．４ｍｍとなるように配置して、角度誤差を測定した。

図６は、上述した回転センサ１０において、磁石１１の回転中心軸１３がＸ方向へずれたときのＸＹの誤差を示した図である。図６（ａ）は、磁石１１の回転中心軸１３がＸ方向へ−０．６ｍｍ、０ｍｍ、及び＋０．６ｍｍずれたときのホール素子１２ａ及び１２ｂの磁束密度の出力結果を示した図であり、図６（ｂ）は、磁石１１の回転中心軸１３がＸ方向へ±０．６ｍｍ移動したときの角度誤差を示した図である。ここで、図６（ａ）の縦軸は磁束密度の規格化後の値を示し、横軸は回転角度示している。また、図６（ｂ）の縦軸は角度誤差を示し、横軸は回転角度示している。また、Ｈ１（ｓｉｎ曲線）はホール素子１２ａの出力結果であり、Ｈ２（ｃｏｓ曲線）はホール素子１２ｂの出力結果である。

図６から判るように、±０．６ｍｍのＸ方向への回転中心軸１３の移動により±９．２３度の角度誤差を測定した。その結果、Ｘ方向の誤差は１．５４度／０．１ｍｍ（＝９．２３度／０．６ｍｍ）となることがわかった。また、Ｙ方向への回転中心軸１３のずれもＸ方向と同様の結果となる。したがって、ＸＹの誤差は１．５４度／０．１ｍｍとなることがわかった。

図７は、上述した回転センサ１０において、磁石１１の回転中心軸１３が傾いてＺ方向と回転中心軸１３との方向がずれたときのＺ傾きの誤差を示した図である。図７（ａ）は、回転中心軸１３が傾いて、回転中心軸１３に平行な方向のホール素子１２ｂと磁石１１との距離が０．１ｍｍはなれたときのホール素子１２ａ及び１２ｂの磁束密度の出力結果を示した図であり、図７（ｂ）は、回転中心軸１３が傾いて、回転中心軸１３に平行な方向のホール素子１２ｂと磁石１１との距離が０．１ｍｍはなれたときの角度誤差を示した図である。ここで、図７（ａ）の縦軸は磁束密度の規格化後の値を示し、横軸は回転角度を示している。また、図７（ｂ）の縦軸は角度誤差を示し、横軸は回転角度を示している。

図７から判るように、０．１ｍｍのＺ方向への回転中心軸１３の傾きにより±０．５５度の角度誤差を測定した。その結果、Ｚ傾きの誤差は０．５５度／０．１ｍｍとなることがわかった。

（実施例２）
実施例２として、図３に示した回転センサ２０を使用したときの調査結果を示す。実施例２に使用した磁石２１の形状は、近傍部２１ａの径方向の幅ｄ３が１．５ｍｍで、回転中心軸２３に平行な方向の厚さｔ１が５ｍｍであり、第１外周部２１ｂの径方向の幅ｄ１が２ｍｍで、回転中心軸２３に平行な方向の厚さｔ２が１．５ｍｍであり、第２外周部２１ｃの径方向の幅ｄ４が１．５ｍｍで、回転中心軸２３に平行な方向の厚さｔ３が１．５ｍｍである。また、回転中心軸２３から近傍部２１ａの内側面までの距離ｄ５は１ｍｍであり、回転中心軸２３から第２外周部２１ｃの外側面までの距離ｄ６は６ｍｍである。

図８は、上述した形状の磁石２１によるホール素子２２ａ（または２２ｂ）のＺ方向及びＸ方向の位置の違いによる磁束密度の変化を測定した結果である。縦軸は磁束密度を示し、横軸は回転中心軸２３からホール素子２２ａ（または２２ｂ）の中心位置までの径方向（回転中心軸２３に直行する方向：Ｘ方向）の距離を示している。

図８に示すように、ホール素子２２ａ（または２２ｂ）のＺ方向の位置が−１．２ｍｍのとき、即ち、基準平面２４からの距離が下方に１．２ｍｍのときに、最も磁束密度の変化の少ないことがわかった。また、ホール素子２２ａ（または２２ｂ）のＸ方向の位置が４．８±０．６ｍｍのとき、最も磁束密度の変化の少ないことがわかった。

したがって、ホール素子２２ａ及び２２ｂのそれぞれの中心位置は、径方向（回転中心軸２３に直行する方向）の回転中心軸２３からの距離が５ｍｍの位置となり、かつ、回転中心軸２３に平行な方向の基準平面２４からの距離が１．２ｍｍとなるように配置して、角度誤差を測定した。

図９は、上述した回転センサ２０において、磁石２１の回転中心軸２３がＸ方向へずれたときのＸＹの誤差を示した図である。図９（ａ）は、磁石２１の回転中心軸２３がＸ方向へ−０．６ｍｍ、０ｍｍ、及び＋０．６ｍｍずれたときのホール素子２２ａ及び２２ｂの磁束密度の出力結果を示した図であり、図９（ｂ）は、磁石２１の回転中心軸２３がＸ方向へ±０．６ｍｍ移動したときの角度誤差を示した図である。ここで、図９（ａ）の縦軸は磁束密度の規格化後の値を示し、横軸は回転角度を示している。また、図９（ｂ）の縦軸は角度誤差を示し、横軸は回転角度を示している。また、Ｈ１（ｓｉｎ曲線）はホール素子２２ａの出力結果であり、Ｈ２（ｃｏｓ曲線）はホール素子２２ｂの出力結果である。

図９から判るように、±０．６ｍｍのＸ方向への回転中心軸２３の移動により±７．９８度の角度誤差を測定した。その結果、Ｘ方向の誤差は１．３３度／０．１ｍｍ（＝７．９８度／０．６ｍｍ）となることがわかった。また、Ｙ方向への回転中心軸２３のずれもＸ方向と同様の結果となる。したがって、ＸＹの誤差は１．３３度／０．１ｍｍとなることがわかった。

図１０は、上述した回転センサ２０において、磁石２１の回転中心軸２３が傾いてＺ方向と回転中心軸２３との方向がずれたときのＺ傾きの誤差を示した図である。図１０（ａ）は、回転中心軸２３が傾いて、回転中心軸２３に平行な方向のホール素子２２ｂと磁石２１との距離が０．１ｍｍはなれたときのホール素子２２ａ及び２２ｂの磁束密度の出力結果を示した図であり、図１０（ｂ）は、回転中心軸２３が傾いて、回転中心軸２３に平行な方向のホール素子２２ｂと磁石２１との距離が０．１ｍｍはなれたときの角度誤差を示した図である。ここで、図１０（ａ）の縦軸は磁束密度の規格化後の値を示し、横軸は回転角度を示している。また、図１０（ｂ）の縦軸は角度誤差を示し、横軸は回転角度を示している。

図１０から判るように、０．１ｍｍのＺ方向への回転中心軸１３の傾きにより±０．５１度の角度誤差を測定した。その結果、Ｚ傾きの誤差は０．５１度／０．１ｍｍとなることがわかった。

（比較例）
比較例として、円形面取り磁石４１を用いた回転センサ４０を使用したときの調査結果を示す。図１１は、比較例として使用した円形面取り磁石４１を用いた回転センサ４０基本構造の一例を示す図である。図１１（ａ）は磁石の底面図であり、図１１（ｂ）は磁石の底面図であり、図１１（ｃ）は磁石の回転中心軸を含む平面での磁石の断面図である。回転センサ４０は、磁石４１、ホール素子４２ａ及び４２ｂを備えている。ホール素子４２ａ及び４２ｂは、図１１に示すように磁石４１の回転中心軸４３に平行な方向の磁気の強さの変化を検出できるように配置されている。

磁石４１の形状は、回転中心軸４３を含む平面上の断面形状が回転中心軸４３の周りの全周で等しい形状であり、ホール素子４２ａ及び４２ｂの感磁面に対向する面の円周部がＣ面取りされている円形形状である。回転中心軸４３から磁石４１の内側面までの距離ｄ５が５ｍｍの中空となっている。また、回転中心軸４３から磁石４１の外側面までの最大距離ｄ６は６ｍｍであり、磁石４１の径方向の最大幅ｄ２が５ｍｍである。また、回転中心軸４３に平行な方向の磁石４１の最大厚みｔ１が４ｍｍである。

また、ホール素子４２ａ及び４２ｂのそれぞれの中心位置は、径方向（回転中心軸４３に直行する方向）の回転中心軸４３からの距離が５．７ｍｍの位置となり、かつ、磁石４３の回転中心軸４３に略直行する底面からの、回転中心軸４３に平行な方向への距離が１．０ｍｍとなるように配置している。

上述した回転センサ４０において、磁石４１の回転中心軸４３がＸ方向及びＹ方向へずれたときのＸＹの誤差、並びに、磁石２１の回転中心軸２３が傾いてＺ方向と回転中心軸２３との方向がずれたときのＺ傾きの誤差を測定した。その結果、ＸＹの誤差は１．８度／０．１ｍｍとなり、Ｚ傾きの誤差は２．０度／０．１ｍｍとなることがわかった。

表１は、実施例１、実施例２、及び比較例によって測定されたＸＹの誤差及びＺ傾きの誤差をまとめたものである。

表１に示すように、比較例と比べると本発明の実施例１及び実施例２のＸＹの誤差及びＺ傾きの誤差がともに小さくなることがわかった。特に、Ｚ傾きの誤差について、誤差を低減する効果が大きいことがわかった。

また、図１に示したような磁石１１を使用した回転センサ１０を基板上に実装する場合、図５に示したように、最も磁束密度の変化の少ないように実装すると、ホール素子１２ａ及び１２ｂの回転中心軸１３に平行な方向の中心位置は、磁石１１の近傍部１１ａの底面の回転中心軸１３に平行な方向の位置と略同じくなり、図１２に示すように、基板５０に穴を開けることなく、回転センサ１０を基板上に実装することができることがわかった。したがって、基板のパターン面積を広く取ることができる。

本発明を適用可能な回転センサの基本構造の一例を示す図である。 ホール素子の感磁面（検出面）を説明するための図である。 本発明を適用可能な別の回転センサの基本構造の一例を示す図である。 図１に示した回転センサ１０に使用した磁石１１の一変形例を示す回転中心軸を含む平面での磁石の断面図である。 磁石１１によるホール素子１２ａ（または１２ｂ）のＺ方向及びＸ方向の位置の違いによる磁束密度の変化を測定した結果である。 磁石１１の回転中心軸１３がＸ方向へずれたときのＸＹの誤差を示した図である。 磁石１１の回転中心軸１３が傾いてＺ方向と回転中心軸１３との方向がずれたときのＺ傾きの誤差を示した図である。 磁石２１によるホール素子２２ａ（または２２ｂ）のＺ方向及びＸ方向の位置の違いによる磁束密度の変化を測定した結果である。 磁石２１の回転中心軸２３がＸ方向へずれたときのＸＹの誤差を示した図である。 磁石２１の回転中心軸２３が傾いてＺ方向と回転中心軸２３との方向がずれたときのＺ傾きの誤差を示した図である。 比較例として使用した円形面取り磁石４１を用いた回転センサ４０基本構造の一例を示す図である。 回転センサ１０を基板上に実装する場合を説明するため図である。 従来の回転角度センサの外観構成の一例を示す図である。 従来の回転角度センサの磁気センサから出力される磁束密度の波形を示す図である。 磁石の軸ずれを示す図である。 磁石が軸ずれしたときの従来の回転角度センサの磁気センサから出力される磁束密度の波形を示す図である。

符号の説明

１０、２０、 回転センサ
１１、２１ 磁石
１１ａ、２１ａ 近傍部
１１ｂ、２１ｂ 第１外周部
１１ｃ、２１ｃ 第２外周部
１２ａ、１２ｂ、２３ａ、２３ｂ ホール素子
１３、２３ 回転中心軸
１４、２４ 基準平面

Claims (9)

1. 被検出回転体に固定され、当該被検出回転体とともに回転し、回転中心軸を含む平面上の断面形状が当該回転中心軸の周りの全周で等しい磁石と、
   前記磁石の磁界の強さに基づいた電気量の信号を出力する複数個の磁気検出部と、
   を備えた前記電気信号に基づいて前記被検出回転体の角度を検知する回転センサにおいて、
   前記磁石は、１つの共通面を有する前記回転中心軸の近傍部と、前記近傍部の外側の第１外周部と、前記第１外周部の外側の第２外周部とを有し、
   前記近傍部の前記回転中心軸に平行な方向の厚さは、前記第１外周部及び前記第２外周部の前記回転中心軸に平行な方向の厚さよりも厚く、
   前記近傍部の側面と、前記近傍部の前記共通面とは反対側の面を含む平面と、前記磁石の最外周面を含む曲面と、前記第１外周部及び前記第２外周部の前記共通面とは反対側の面を含む平面と、に囲まれた空間の前記回転中心軸に平行な断面の断面積は前記磁気検出器の前記回転中心軸に平行な断面の断面積より大きいことを特徴とする回転センサ。
2. 前記磁気検出器の検出面は前記空間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転センサ。
3. 被検出回転体に固定され、当該被検出回転体とともに回転し、回転中心軸を含む平面上の断面形状が当該回転中心軸の周りの全周で等しい磁石と、
   前記磁石の磁界の強さに基づいた電気量の信号を出力する複数個の磁気検出部と、
   を備えた前記電気信号に基づいて前記被検出回転体の角度を検知する回転センサにおいて、
   前記磁石は、前記回転中心軸の近傍部と、前記近傍部の外側の第１外周部と、前記第１外周部の外側の第２外周部とを有し、
   前記近傍部の前記回転中心軸に平行な方向の厚さは、前記第１外周部及び前記第２外周部の前記回転中心軸に平行な方向の厚さよりも厚く、
   前記磁気検出部は、前記回転中心軸に対して略垂直な前記第１外周部の２面の内のどちらか一方の面と、前記第１外周部の前記一方の面と同じ側に位置する前記第２外周部の面との、どちらかの面または両方の面に、当該磁気検出部の検出面が対向するように配置され、
   前記第１外周部の前記一方の面と、前記第１外周部の前記一方の面と同じ側に位置する前記第２外周部の面とが、ともに前記磁気検出部の前記検出面に対して、略平行となるように形成されていることを特徴とする回転センサ。
4. 前記回転中心軸に平行な方向の前記近傍部の厚さをｔ１、前記第１外周部の厚さをｔ２、前記第２外周部の最大厚さをｔ３とし、
   前記回転中心軸に直行する方向の、前記近傍部の外側面から前記第２外周部の内側面までの最大距離をｄ１とし、前記第２外周部の内側面から外側面までの距離をｄ４とし、前記近傍部の内側面から前記第２外周部の外側面までの最大距離をｄ２とし、前記近傍部の内側面から外側面までの距離をｄ３としたとき、
   ｄ３≒ｄ４ 、かつ、
   ０．２×ｄ２＜ｄ１＜０．８×ｄ２ 、かつ、
   ｔ１＞ｔ３≧ｔ２ 、かつ、 ０．２×ｔ１＜ｔ３＜０．８×ｔ１
   の条件を満足することを特徴とする請求項３に記載の回転センサ。
5. 前記磁気検出部の感受方向は、前記磁石の前記回転中心軸と平行な方向であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の回転センサ。
6. 前記磁気検出器を配置する側の前記第１外周部の面と前記磁気検出部の検出面との距離よりも、前記磁気検出器を配置する側の前記第２外周部の面と前記磁気検出部の検出面との距離が小となり、更に、前記磁気検出器を配置する側の前記第２外周部の面が前記磁気検出部の検出面に略平行となるように形成さ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項に記載の回転センサ。
7. 前記回転中心軸に平行な方向の前記近傍部の厚さをｔ１、前記第１外周部の厚さをｔ２、前記第２外周部の最大厚さをｔ３とし、
   前記回転中心軸に直行する方向の、前記近傍部の外側面から前記第２外周部の内側面までの最大距離をｄ１とし、前記第２外周部の内側面から外側面までの距離をｄ４とし、前記近傍部の内側面から前記第２外周部の外側面までの最大距離をｄ２とし、前記近傍部の内側面から外側面までの距離をｄ３としたとき、
   ｄ３≒ｄ４ 、かつ、
   ０．２×ｄ２＜ｄ１＜０．８×ｄ２ 、かつ、
   ｔ１＞ｔ３＞ｔ２ 、かつ、 ０．２×ｔ１＜ｔ３＜０．８×ｔ１
   の条件を満足することを特徴とする請求項６に記載の回転センサ。
8. 前記磁石は、前記回転中心軸に直行する方向にＳＮ極が配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の回転センサ。
9. 前記磁気検出部は、ホール素子であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の回転センサ。

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