JP5818104B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、回転角度検出装置に関する。
回転体の回転軸心に対し離間する第1磁石と、回転軸心に対し第1磁石とは反対側に位置する第2磁石と、第1磁石および第2磁石のN極同士を繋ぐ第1ヨークと、第1磁石および第2磁石のS極同士を繋ぐ第2ヨークと、回転軸心に位置する磁気検出素子と、を備える回転角度検出装置が知られている。例えば、第1ヨークおよび第2ヨークは回転体に固定され、磁気検出素子は支持部材に固定される。回転角度検出装置は、支持部材に対する回転体の回転に応じて変化する磁気検出素子の出力に基づき、回転体の回転角度を検出する。特許文献1に開示された回転角度検出装置は、磁気検出素子を挟む2つのステータコア片を有しており、磁気検出素子の周辺を通過する磁束を2つのステータコア片により直線化している。
特開2003−185471号公報
特許文献1に開示された回転角度検出装置では、ステータコア片を取り外すと磁気検出素子の周辺を通過する磁束が湾曲する。磁気検出素子の周辺を通過する磁束が湾曲していると、回転体の回転角度が変わらずとも、回転体と支持部材との位置がずれた場合に検出結果が変化するという問題が生じる。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転体と支持部材との位置ずれに対し検出精度が低下しにくい回転角度検出装置を提供することである。
本発明は、支持部材に対する回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、第1ヨークのうち第2ヨークと対向する内壁が第1凹曲面および第2凹曲面を有し、第2ヨークのうち第1ヨークと対向する内壁が第3凹曲面および第4凹曲面を有することを特徴とする。
第1磁石と第2磁石とを結ぶ方向を第1方向とし、回転軸心と第1方向とに直交する方向を第2方向とすると、第1凹曲面は、第2方向と平行に延びることなく、第1磁石から第2磁石に近づくほど第2ヨークから遠ざかるように第1磁石のN極から延びている。第2凹曲面は、第2方向と平行に延びることなく、第2磁石から第1磁石に近づくほど第2ヨークから遠ざかるように第2磁石のN極から延びている。
第3凹曲面は、第2方向と平行に延びることなく、第1磁石から第2磁石に近づくほど第1ヨークから遠ざかるように第1磁石のS極から延びている。第4凹曲面は、第2方向と平行に延びることなく、第2磁石から第1磁石に近づくほど第1ヨークから遠ざかるように第2磁石のS極から延びている。第1凹曲面および第2凹曲面の曲率中心線は、回転軸心に対し第2方向の第2ヨーク側に位置し、且つ、回転軸心と第2ヨークとの間に位置している。第3凹曲面および第4凹曲面の曲率中心線は、回転軸心に対し第2方向の第1ヨーク側に位置し、且つ、回転心と第1ヨークとの間に位置している。第1ヨークおよび第2ヨークは、回転軸心を通り且つ第2方向と平行な仮想面を境に面対称な形状であるとともに、回転軸心を通り且つ第1方向と平行な他の仮想面を境に面対称な形状である。
各磁石のN極から出た磁束は、第1ヨーク、第1ヨークと第2ヨークとの間の内空間、および、第2ヨークを順に通って各磁石のS極に至る。
本発明によれば、各ヨークの両端部が磁石から第2方向と平行に延びている比較形態と比べ、第1ヨークのうち各磁石に比較的近い第1凹曲面および第2凹曲面から内空間に漏れて第2ヨークの第3凹曲面および第4凹曲面に至る磁束は、湾曲が抑えられ第2方向と平行な方向に沿うような経路を辿る。そのため、磁気検出素子の周辺のより広い範囲で磁束が第2方向と平行になる。その結果、ヨークに対する磁気検出素子の位置がずれた場合であっても検出精度の低下を抑制することができる。
さらに、第1ヨークの内壁は、第1凹曲面と第2凹曲面とを接続し、第1方向と平行に延びる平面または回転軸心側に出っ張る凸曲面から構成された第1接続面を有し、第2ヨークの内壁は、第3凹曲面と第4凹曲面とを接続し、第1方向と平行に延びる平面または回転軸心側に出っ張る凸曲面から構成された第2接続面を有している。
したがって、第1ヨークの第1接続面から内空間に漏れて第2ヨークの第2接続面に至る磁束は、湾曲することなく第2方向と平行な経路を辿る。そのため、磁気検出素子の周辺の一層広い範囲で磁束が第2方向と平行になる。その結果、ヨークに対する磁気検出素子の位置ずれに起因した検出精度の低下を一層抑制することができる。
また、請求項2の回転角度検出装置によれば、磁気検出素子を間に置いて対向する第1接続面および第2接続面は凸曲面から構成され、第1接続面と第2接続面との第2方向の距離は磁石から遠いほど短くなっている。そのため、磁気検出素子の周辺の広い範囲で磁束密度の差が小さくなり、検出精度の低下を抑制することができる。
本発明の第1実施形態による回転角度検出装置が適用された電子スロットルの概略構成を示す図である。 図1の回転角度検出装置のII−II線断面図である。 図2のホールICの回路ブロック図である。 図2の断面図において各ヨークを通る磁束の方向を矢印で示した図である。 図4の基準位置から各ヨークが右まわりに45[°]回転した状態を示す図である。 図4の基準位置から各ヨークが右まわりに90[°]回転した状態を示す図である。 図4の基準位置から各ヨークが左まわりに45[°]回転した状態を示す図である。 図4の基準位置から各ヨークが左まわりに90[°]回転した状態を示す図である。 図3のホール素子が検出する磁束密度の特性図である。 図3のホールICが出力する電気信号の特性図である。 本発明の第2実施形態による回転角度検出装置の断面図である。 図11の断面図において各ヨークを通る磁束の方向を矢印で示した図である。
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による回転角度検出装置は、例えば自動車の電子スロットルに適用されている。図1に示す電子スロットル1は、ハウジング2と、ハウジング2により回転可能に支持された回転軸3と、回転軸3を回転駆動可能なロータリーアクチュエータ4と、回転角度検出装置10とを備えている。ハウジング2は、特許請求の範囲に記載の「支持部材」に相当し、回転軸3は、特許請求の範囲に記載の「回転体」に相当する。回転角度検出装置10は、ハウジング2に対する回転軸3の回転角度を検出する。検出された回転角度を表す電気信号は、図示しないECUに入力される。ECUは、回転角度検出装置10から入力された電気信号に基づいてロータリーアクチュエータ4をフィードバック制御する。
先ず、回転角度検出装置10の概略構成を図1〜図3に基づき説明する。
回転角度検出装置10は、第1磁石20、第2磁石30、第1ヨーク40、第2ヨーク50、および、ホール素子61を含むホールIC60を備えている。ホール素子61は、特許請求の範囲に記載の「磁気検出素子」に相当する。
第1磁石20は、回転軸心Rに対し離間しており、回転軸心Rと同心の仮想円の接線方向に着磁されている。第2磁石30は、回転軸心Rに対し第1磁石20とは反対側に位置している。以下、第1磁石20と第2磁石30とを結ぶ方向を「第1方向」とし、回転軸心Rと第1方向とに直交する方向を「第2方向」とする。第1磁石20および第2磁石30の着磁方向は、第2方向と平行である。
第1ヨーク40は、磁性材料からなり、第1磁石20のN極と第2磁石30のN極とを繋いでいる。第2ヨーク50は、磁性材料からなり、回転軸心Rに対し第1ヨーク40とは反対側に位置し、第1磁石20のS極と第2磁石30のS極とを繋いでいる。図1に示すように、回転軸3の端部にはギヤ5が固定されており、第1ヨーク40および第2ヨーク50はギヤ5の内壁に固定されている。第1ヨーク40、第2ヨーク50、第1磁石20および第2磁石30は、回転軸心Rを取り囲むように筒状をなし、回転軸3が回転するときギヤ5と共に回転軸心Rまわりに回転する。
ホールIC60は、第1ヨーク40と第2ヨーク50との間の内空間55であって回転軸心Rと一致する位置に設けられ、支持部材2に固定されている。図3に示すように、ホールIC60は、ホール素子61、アンプ回路62、A/D変換回路63、信号処理部64およびD/A変換回路65等を有している。ホール素子61は、ホール効果を利用した磁電変換素子であり、感磁面の磁束密度に応じたアナログ電気信号を出力する。感磁面は、図2に示す基準位置においては第1方向と垂直である。アンプ回路62は、ホール素子61から出力されたアナログ電気信号を増幅する。A/D変換回路63は、アンプ回路62により増幅されたアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換する。信号処理部64は、A/D変換回路63から出力されたデジタル電気信号に各種処理を施すものであり、例えばDSP(デジタルシグナルプロセッサ)から構成され、オフセット補正回路66、振幅補正回路67およびリニア補正回路68等を有している。リニア補正回路68は、特許請求の範囲に記載の「リニア補正手段」に相当し、ホール素子61の出力信号が回転軸3の回転角度に対して線形に変化するように補正する。D/A変換回路65は、信号処理部64から出力されたデジタル電気信号をアナログ電気信号に変換する。ホールICは、回転軸3とハウジング2との相対回転に伴って生じる磁界の変化に応じた電気信号を出力する。
次に、回転角度検出装置10の特徴構成を図2および図4に基づき説明する。
第1ヨーク40のうち第2ヨーク50と対向する内面は、第1凹曲面41、第2凹曲面42および第1平面43から構成されている。第1凹曲面41は、第2方向と平行に延びることなく、第1磁石20から第2磁石30に近づくほど第2ヨーク50から遠ざかるように第1磁石20のN極から延びている。第2凹曲面42は、第2方向と平行に延びることなく、第2磁石30から第1磁石20に近づくほど第2ヨーク50から遠ざかるように第2磁石30のN極から延びている。第1平面43は、第1方向と平行に延び第1凹曲面41と第2凹曲面42とを繋いでいる。第1平面43は、特許請求の範囲に記載の「第1接続面」に相当する。本実施形態では、第1ヨーク40の外面の形状は、内面の形状と同様である。
第2ヨーク50のうち第1ヨーク40と対向する内面は、第3凹曲面51、第4凹曲面52および第2平面53から構成されている。第3凹曲面51は、第2方向と平行に延びることなく、第1磁石20から第2磁石30に近づくほど第1ヨーク40から遠ざかるように第1磁石20のS極から延びている。第4凹曲面52は、第2方向と平行に延びることなく、第2磁石30から第1磁石20に近づくほど第1ヨーク40から遠ざかるように第2磁石30のS極から延びている。第2平面53は、第1方向と平行に延び第3凹曲面51と第4凹曲面52とを繋いでいる。第2平面53は、特許請求の範囲に記載の「第2接続面」に相当する。本実施形態では、第2ヨーク50の外面の形状は、内面の形状と同様である。
第1凹曲面41の曲率中心線C1は、第2凹曲面42のものと一致し、回転軸心Rに対し第2方向の第2ヨーク50側に位置している。また、第3凹曲面51の曲率中心線C2は、第4凹曲面52のものと一致し、回転軸心Rに対し第2方向の第1ヨーク40側に位置している。
第1磁石20と回転軸心Rとの距離X1は、第2磁石30と回転軸心Rとの距離X2と等しい。また、第1ヨーク40、第2ヨーク50、第1磁石20および第2磁石30からなる筒体は、回転軸心Rを通り且つ第2方向と平行な仮想面Sを境に面対称な形状である。
図4に方向を矢印で示すように、各磁石20、30のN極から出た磁束は、第1ヨーク40、第1ヨーク40と第2ヨーク50との間の内空間55、および、第2ヨーク50を順に通って各磁石20、30のS極に至る。各磁石20、30のN極から出た磁束のうちいくらかは、第1ヨーク40の端部から中央部に至るまでの間に内空間55に漏れる。本実施形態では、第1ヨーク40の第1凹曲面41および第2凹曲面42から内空間55に漏れて第2ヨーク50の第3凹曲面51および第4凹曲面52に至る磁束は、回転軸心R側に大きく湾曲することなく、第2方向と平行な方向に沿うような経路を辿る。また、第1ヨーク40のうち第1平面43から内空間55に漏れて第2ヨーク50の第2平面53に至る磁束は、湾曲することなく第2方向と平行な経路を辿る。図4では、第1ヨーク40および第2ヨーク50の外側の磁束の方向は図示を省略している。また図4では、磁束は、矢印が方向を表し、太さが磁束密度の大きさを示している。つまり、太いほど磁束密度が大きい。
次に、回転角度検出装置10の作動を図4〜図9に基づき説明する。
(1)基準位置
図4に示すように各ヨーク40、50が基準位置に位置しているとき、ホール素子61およびその周辺を通過する磁束は、ホール素子61の感磁面に対し平行な経路を辿る。そのため、基準位置における回転軸3の回転角度を0[°]とすると、図9に示すように、回転軸3の回転角度が0[°]であるときホール素子61が検出する磁束密度は0[mT]である。
(2)回転位置
回転軸3の回転に伴って各ヨーク40、50が基準位置から回転すると、ホール素子61およびその周辺を通過する磁束は、ホール素子61の感磁面に対し交差するような経路を辿る。例えば、回転軸3の回転角度が45[°]であるとき図5に示すようになり、回転軸3の回転角度が−45[°]であるとき図6に示すようになる。そして、図7に示すように回転軸3の回転角度が90[°]であるとき、および、図8に示すように回転軸3の回転角度が−90[°]であるとき、磁束はホール素子61の感磁面を垂直に通過する。
図9に示すように、回転軸3の回転角度が0[°]から90[°]に向かうにしたがってホール素子61が検出する磁束密度はプラス側に連続的に大きくなり、回転角度が90[°]であるときホール素子61が検出する磁束密度はプラス側の最大値となる。そして、回転軸3の回転角度が90[°]から180[°]に向かうにしたがってホール素子61が検出する磁束密度は連続的に小さくなり、0[mT]に至る。
一方、回転軸3の回転角度が0[°]から−90[°]に向かうにしたがってホール素子61が検出する磁束密度はマイナス側に連続的に大きくなり、回転角度が−90[°]であるときホール素子61が検出する磁束密度はマイナス側の最大値となる。そして、回転軸3の回転角度が−90[°]から−180[°]に向かうにしたがってホール素子61が検出する磁束密度は連続的に小さくなり、0[mT]に至る。
上記(1)および(2)で述べたように、ホール素子61は、回転軸3が回転することにより変化する磁界の強さに応じたアナログ電気信号を出力する。そして、ホールIC60は、ホール素子61から出力されたアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換し、リニア補正を含む各種補正を施した後、再度アナログ電気信号に変換して出力する。図10は、ホールIC60の出力特性を示す特性図である。
以上説明したように、第1実施形態による回転角度検出装置10は、第1ヨーク40のうち第2ヨーク50と対向する内壁が第1凹曲面41および第2凹曲面42を有し、第2ヨーク50のうち第1ヨーク40と対向する内壁が第3凹曲面51および第4凹曲面52を有している。各凹曲面41、42、51、52は、第2方向と平行に延びることなく、第1平面43または第2平面53に向かって傾斜するように延びている。
したがって、第1凹曲面41および第2凹曲面42から内空間55に漏れて第3凹曲面51および第4凹曲面52に至る磁束は、湾曲が抑えられ第2方向と平行な方向に沿うような経路を辿る。すなわち、第1実施形態によれば、各ヨークの端部が磁石から第2方向と平行に延びている比較形態と比べ、第1ヨーク40の端部から内空間55に漏れて第2ヨークの端部に至る磁束の湾曲が抑えられる。そのため、比較形態と比べてホール素子61の周辺のより広い範囲で磁束が第2方向と平行になる。その結果、第1ヨーク40および第2ヨーク50に対するホール素子61の位置がずれても、すなわちハウジング2に対する回転軸3の位置がずれても検出精度の低下を抑制することができる。
また、第1実施形態では、第1ヨーク40の内壁は、第1凹曲面41と第2凹曲面42とを繋ぐように第1方向と平行に延びている第1平面43を有し、第2ヨーク50の内壁は、第3凹曲面51と第4凹曲面52とを繋ぐように第1方向と平行に延びている第2平面53を有する。第1平面43および第2平面53は、ホール素子61を間に置いて対向するとともに、互いに平行である。
したがって、第1ヨーク40のうち第1平面43から内空間55に漏れて第2ヨーク50の第2平面53に至る磁束は、湾曲することなく第2方向と平行な経路を辿る。そのため、ホール素子61およびその周辺の一層広い範囲で磁束が第2方向と平行になる。その結果、ホール素子61の位置ずれに起因する検出精度の低下を一層抑制することができる。
また、第1実施形態では、第1凹曲面41および第2凹曲面42の曲率中心線C1は、回転軸心Rに対し第2方向の第2ヨーク50側に位置している。また、第3凹曲面51および第4凹曲面52の曲率中心線C2は、回転軸心Rに対し第2方向の第1ヨーク40側に位置している。そのため、第1ヨーク40および第2ヨーク50のうち、比較的に磁束密度の大きい端部がホール素子61から離れることにより、ホール素子61およびその周辺の磁束密度を均一にすることができ、検出精度を向上させることができる。
また、第1実施形態では、第1磁石20と回転軸心Rとの距離X1は、第2磁石30と回転軸心Rとの距離X2と等しい。また、第1ヨーク40、第2ヨーク50、第1磁石20および第2磁石30からなる筒体は、回転軸心Rを通り且つ第2方向と平行な仮想面Sを境に面対称な形状である。そのため、ホール素子61およびその周辺の一層広い範囲で磁束が第2方向と平行になる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態による回転角度検出装置を図11及び図12に基づき説明する。
回転角度検出装置70では、第1ヨーク71のうち第2ヨーク73と対向する内面は、第1凹曲面41、第2凹曲面42および第1凸曲面72から構成されている。第1凸曲面72は、第1凹曲面41と第2凹曲面42とを繋いでおり、回転軸心R側に出っ張っている。本実施形態では、第1ヨーク71の外面の形状は、内面の形状と同様である。
第2ヨーク73のうち第1ヨーク71と対向する内面は、第3凹曲面51、第4凹曲面52および第2凸曲面74から構成されている。第2凸曲面74は、第3凹曲面51と第4凹曲面52とを繋いでおり、回転軸心R側に出っ張っている。本実施形態では、第2ヨーク73の外面の形状は、内面の形状と同様である。
第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を奏する。さらに、第2実施形態では、ホール素子61を間に置いて対向する第1凸曲面72と第2凸曲面74との第2方向の距離は、磁石20、30から遠いほど短くなっている。そのため、ホール素子61およびその周辺の広い範囲で磁束密度の差が小さくなり、検出精度の低下を抑制することができる。
(他の実施形態)
本発明の他の実施形態では、第1ヨークおよび第2ヨークの内壁が有する凹曲面と凸曲面とは、曲率半径が一定でなくてもよい。
本発明の他の実施形態では、第1ヨークおよび第2ヨークの外面の形状は、内面の形状と異なっていてもよい。
参考形態ではあるが、第1ヨークの凹曲面の曲率中心線は、回転軸心に一致していてもよい。
参考形態ではあるが、第1磁石と回転軸心との距離は、第2磁石と回転軸心との距離と異なっていてもよい。
参考形態ではあるが、第1ヨークおよび第2ヨークの形状は、回転軸心を通り且つ第2方向と平行な仮想面を境に面対称な形状でなくてもよい。
本発明の他の実施形態では、磁気検出手段として、ホール素子以外の例えば磁気抵抗素子などを用いてもよい。また、磁気検出手段としてホール素子を用いる場合、種々の処理回路を有するホールICが設けられなくてもよい。すなわち、種々の処理は外部が行い、回転角度検出装置はホール素子を備えるだけでもよい。
本発明の他の実施形態では、回転角度検出装置は、車両の他の装置に適用されてもよいし、車両以外の装置に適用されてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
10、70・・・回転角度検出装置 20・・・第1磁石
30・・・第2磁石 40、71・・・第1ヨーク
41・・・第1凹曲面 42・・・第2凹曲面
43・・・第1平面(第1接続面) 50、73・・・第2ヨーク
51・・・第3凹曲面 52・・・第4凹曲面
53・・・第2平面(第2接続面) 61・・・ホール素子(磁気検出素子)
72・・・第1凸曲面(第1接続面) 74・・・第2凸曲面(第2接続面)

Claims (5)

  1. 支持部材(2)に対する回転体(3)の回転角度を検出する回転角度検出装置(10、70)であって、
    前記回転体の回転軸心(R)に対し離間し、前記回転軸心と同心の仮想円の接線方向に着磁されている第1磁石(20)と、
    前記回転軸心に対し前記第1磁石とは反対側に位置し、着磁方向が前記第1磁石と同じである第2磁石(30)と、
    前記第1磁石のN極と前記第2磁石のN極とを繋いでいる第1ヨーク(40、71)と、
    前記回転軸心に対し前記第1ヨークとは反対側に位置し、前記第1磁石のS極と前記第2磁石のS極とを繋ぎ、前記第1ヨークと共に前記回転体に固定される第2ヨーク(50、73)と、
    前記回転軸心に位置し、前記支持部材に固定され、前記回転体と前記支持部材との相対回転に伴って生じる磁界の変化に応じた電気信号を出力する磁気検出素子(61)と、
    を備え、
    前記第1磁石と前記第2磁石とを結ぶ方向を第1方向とし、
    前記回転軸心と前記第1方向とに直交する方向を第2方向とすると、
    前記第1ヨークのうち前記第2ヨークと対向する内壁は、
    前記第2方向と平行に延びることなく、前記第1磁石から前記第2磁石に近づくほど前記第2ヨークから遠ざかるように前記第1磁石のN極から延びている第1凹曲面(41)と、
    前記第2方向と平行に延びることなく、前記第2磁石から前記第1磁石に近づくほど前記第2ヨークから遠ざかるように前記第2磁石のN極から延びている第2凹曲面(42)と、
    前記第1凹曲面と前記第2凹曲面とを接続し、前記第1方向と平行に延びる平面または前記回転軸心側に出っ張る凸曲面から構成されている第1接続面(43、72)と、を有し、
    前記第2ヨークのうち前記第1ヨークと対向する内壁は、
    前記第2方向と平行に延びることなく、前記第1磁石から前記第2磁石に近づくほど前記第1ヨークから遠ざかるように前記第1磁石のS極から延びている第3凹曲面(51)と、
    前記第2方向と平行に延びることなく、前記第2磁石から前記第1磁石に近づくほど前記第1ヨークから遠ざかるように前記第2磁石のS極から延びている第4凹曲面(52)と、
    前記第3凹曲面と前記第4凹曲面とを接続し、前記第1方向と平行に延びる平面または前記回転軸心側に出っ張る凸曲面から構成されている第2接続面(53、74)と、を有し、
    前記第1凹曲面および前記第2凹曲面の曲率中心線(C1)は、前記回転軸心に対し前記第2方向の前記第2ヨーク側に位置し、且つ、前記回転軸心と前記第2ヨークとの間に位置し、
    前記第3凹曲面および前記第4凹曲面の曲率中心線(C2)は、前記回転軸心に対し前記第2方向の前記第1ヨーク側に位置し、且つ、前記回転心と前記第1ヨークとの間に位置し
    前記第1ヨークおよび前記第2ヨークは、前記回転軸心を通り且つ前記第2方向と平行な仮想面(S)を境に面対称な形状であり、
    前記第1ヨークおよび前記第2ヨークは、前記回転軸心を通り且つ前記第1方向と平行な他の仮想面を境に面対称な形状であることを特徴とする回転角度検出装置。
  2. 前記第1接続面(72)および前記第2接続面(74)は、前記回転軸心側に出っ張る凸曲面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(70)。
  3. 前記第1磁石と前記回転軸心との距離(X1)は、前記第2磁石と前記回転軸心との距離(X2)と等しいことを特徴とする請求項1または2に記載の回転角度検出装置(10、70)。
  4. 前記磁気検出素子から入力された電気信号が前記回転体の回転角度に対して線形に変化するように補正するリニア補正手段(68)、をさらに備えることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の回転角度検出装置(10、70)。
  5. 前記磁気検出素子はホール素子であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の回転角度検出装置(10、70)。
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