WO2019188570A1 - 回転角度検出装置 - Google Patents

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magnetic
magnet
rotation angle
magnets
detection device
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PCT/JP2019/011388
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仁美 本多
河野　禎之
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株式会社デンソー
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Definitions

  • the present disclosure relates to a rotation angle detection device.
  • a magnetic detection unit is arranged spaced radially outward from the ring-shaped magnet, and based on the output value of the magnetic detection unit, A rotation angle detection device that detects a rotation angle is known.
  • a magnetic detection part is two Hall elements arrange
  • Magnetization of the ring magnet is performed by applying a magnetic force with a magnetizing coil. At that time, at the places where the poles of the ring-shaped magnet are adjacent, the poles of the magnetizing coil are reversed so that the magnetic fluxes cancel each other, and the ease of magnetization differs depending on the orientation of the magnet material. For this reason, the variation in the positions of both ends of the poles in the rotation direction becomes large, and the change in magnetic flux density during rotation of the rotating shaft may vary. Therefore, the output waveform of the magnetic detection unit is distorted and the detection accuracy is lowered.
  • the present disclosure has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a rotation angle detection device with improved detection accuracy.
  • a rotation angle detection device includes a magnet unit that rotates together with a rotating body, and a magnetic detection unit that is arranged radially outward with respect to the magnet unit and detects a tangential magnetic flux component and a radial magnetic flux component of a magnetic field.
  • the magnet unit has an even number of magnets arranged in the rotation direction of the rotating body.
  • the magnet is magnetized in the radial direction perpendicular to the rotational axis of the rotating body.
  • the even number of magnets are arranged such that the radially outer poles are different between magnets adjacent in the rotational direction.
  • a gap is provided between magnets adjacent in the rotational direction.
  • a magnet part is composed of an even number of magnets divided in the rotation direction, and the magnetizing direction of each magnet is set to the radial direction, so that one pole is arranged on the outer side in the radial direction of one magnet. That is, there is no place where the pole switches in the rotation direction outside the magnet in the radial direction. For this reason, variations in both ends of the pole in the rotation direction due to variations in magnetization are suppressed. Therefore, distortion of the output magnetic flux waveform of the magnetic detection unit is suppressed, and detection accuracy is improved.
  • the output waveform of the magnetic detection unit approaches the ideal sin waveform and cos waveform, and detection with high accuracy is possible. Further, the detection cycle can be changed depending on the number of magnets. Further, compared with conventional ring magnets, magnets separated in the rotational direction are easy to magnetize and assemble, and have the advantage of being easy to manufacture.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the rotation angle detection device of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram of the magnetic detection unit of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between the rotation angle of the rotating body and the detected magnetic flux of the first Hall element in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the rotation angle of the rotating body and the detected magnetic flux of the second Hall element in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a rotation angle detection device according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram corresponding to FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing the magnetic flux generated by the magnet portion with a dashed arrow
  • FIG. 7 is an enlarged view of the VII part in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the rotation angle of the rotating body and the detected magnetic flux of the magnetic detection unit corresponding to the tangential magnetic flux component of the magnetic field in the first embodiment and the comparative embodiment
  • FIG. 9 is a schematic diagram of the rotation angle detection device of the second embodiment
  • FIG. 10 is a schematic diagram of the rotation angle detection device of the third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of the rotation angle detection device of the fourth embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of the rotation angle detection device of the fifth embodiment
  • FIG. 13 is a schematic diagram of the rotation angle detection device of the sixth embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the rotation angle of the rotating body and the detected magnetic flux of the magnetic detection unit corresponding to the radial magnetic flux component of the magnetic field in comparison with the presence or absence of the convex portion of the magnetic unit in FIG.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of the rotation angle detection device of the seventh embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic diagram of the rotation angle detection device of the first other embodiment
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a relationship between the rotation angle of the rotating body and the detected magnetic flux of the first Hall element in the first other embodiment
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the rotation angle of the rotating body and the detected magnetic flux of the second Hall element in the first other embodiment, FIG.
  • FIG. 19 is a schematic diagram of a rotation angle detection device of a second other embodiment
  • FIG. 20 is a diagram illustrating the relationship between the rotation angle of the rotating body and the detected magnetic flux of the first Hall element in the second other embodiment
  • FIG. 21 is a diagram illustrating a relationship between the rotation angle of the rotating body and the detected magnetic flux of the second Hall element in the second other embodiment
  • FIG. 22 is a diagram showing the magnetic flux generated by the ring-shaped magnet with a dashed arrow in the comparative embodiment
  • FIG. 23 is an enlarged view of a portion XXIII in FIG.
  • the rotation angle detection device 10 is a device that detects the rotation angle of the rotating body 5 and includes a magnet unit 12 and a magnetic detection unit 13.
  • the rotation angle signal from the magnetic detection unit 13 is transmitted to an external ECU (Electronic Control Unit) (not shown) or the like.
  • the direction perpendicular to the rotational axis AX of the rotating body 5 is referred to as “radial direction”.
  • the tangential direction of a circle centered on the rotational axis AX in the transverse section of the rotating body 5 is simply referred to as “tangential direction”.
  • the rotation direction of the rotating body 5 is simply referred to as “rotation direction”.
  • the magnet portion 12 is fixed to the outer wall portion of the rotating body 5 and rotates together with the rotating body 5.
  • the magnet unit 12 has an even number of magnets 141 to 144 arranged in the rotation direction.
  • the magnets 141 to 144 are simply referred to as magnets 14 unless otherwise distinguished.
  • the magnet 14 is magnetized in the radial direction. Each magnet 14 is disposed such that the radially outer poles differ between a pair of magnets 14 adjacent in the rotational direction. A gap 15 is provided between a pair of magnets 14 adjacent in the rotation direction.
  • the magnets 14 are arranged so as to be line symmetric with respect to a virtual line L perpendicular to the rotation axis AX.
  • four magnets 14 are provided.
  • the magnets 14 have the same size and are arranged at equal intervals in the rotation direction.
  • the rotation angle of the rotating body 5 is 0 ° and the line connecting 0 ° and 180 ° is an imaginary line L
  • the two magnets 141 and 143 having the N pole on the radially outer side are positioned on the imaginary line L.
  • the two magnets 142 and 144 whose outer sides in the radial direction are S poles are located on a line connecting 90 ° and 270 °.
  • the magnet 14 is an arc-shaped magnet along the rotation direction. That is, the magnet 14 has a fan-shaped cross section perpendicular to the rotational axis AX.
  • the radially outer side of the magnet 14 is magnetized to one of the N and S poles, and the radially inner side of the magnet 14 is magnetized to the other of the N and S poles.
  • the boundary between the N pole and the S pole in one magnet is indicated by a thin solid line.
  • the magnetic detection unit 13 is arranged to be spaced radially outward with respect to the magnet unit 12, and has a tangential component (hereinafter, tangential magnetic flux component) of magnetic flux density and a radial component (hereinafter, radial direction) of magnetic flux density. Magnetic flux component) is detected.
  • the magnetic detection unit 13 is integrally held by, for example, a fixing member (not shown).
  • the magnetic detection unit 13 includes a first Hall element 27, a second Hall element 28, and a rotation angle calculation circuit 29 as shown in FIG.
  • the first Hall element 27 and the second Hall element 28 are arranged so that the directions of the detection surfaces are different from each other by 90 °.
  • the first Hall element 27 detects a tangential magnetic flux component of the magnetic field at the location where the magnetic detection unit 13 is disposed, and outputs a detected magnetic flux Sy as shown in FIG.
  • the detected magnetic flux Sy is a sin waveform signal.
  • the second Hall element 28 detects the radial magnetic flux component of the magnetic field at the location where the magnetic detector 13 is disposed, and outputs a detected magnetic flux Sx as shown in FIG.
  • the detected magnetic flux Sx is a cos waveform signal.
  • the sin waveform signal and the cos waveform signal are signals having a phase difference of 90 ° from each other.
  • the magnetic detection unit 13 is arranged in the direction shown in FIG.
  • the magnetic detection unit 13 may be arranged in a direction rotated 90 degrees from the direction shown in FIG.
  • the difference in amplitude between the detected magnetic flux Sy and the detected magnetic flux Sx can be adjusted by the sensitivity difference between the first Hall element 27 and the second Hall element 28.
  • the orientation of the Hall element may be changed in the same manner. Regardless of the orientation of the magnetic detector 13, the difference in amplitude between the detected magnetic flux Sy and the detected magnetic flux Sx may be corrected by, for example, the magnetic detector 13 or the like.
  • the rotation angle calculation circuit 29 performs an arctan calculation based on the detected magnetic flux Sy and the detected magnetic flux Sx, and calculates the 360 ° rotation angle of the rotating body 5.
  • the rotation angle detection device 90 of the comparative form includes a ring-shaped magnet 92 magnetized in the circumferential direction as a magnet portion. On the radially outer side of the ring-shaped magnet 92, there are four places where the poles are switched in the rotation direction, that is, four pole boundary parts.
  • Magnetization of the ring magnet 92 is performed by applying a magnetic force with a magnetizing coil. At that time, at the locations where the poles of the ring-shaped magnet 92 are adjacent, the poles of the magnetizing coil are reversed to cancel out the magnetic flux, or the ease of magnetization differs depending on the orientation of the magnet material. Therefore, as shown in FIG. 23, the pole boundary portion may deviate from a desired position indicated by a two-dot chain line. As a result, the positions of both ends in the rotation direction of the poles of the ring-shaped magnet 92 vary greatly. In addition, since the poles are continuously provided in the rotation direction with no gap, the magnetic flux at the corners of the pole is strong, and the magnetic flux is disturbed at the boundary between the poles.
  • the change in magnetic flux density during rotation of the rotating body 5 varies, and the output waveform of the magnetic detection unit 93 is distorted.
  • the waveform of the detected magnetic flux Sy1 of the magnetic detection unit 93 corresponding to the tangential magnetic flux component of the magnetic field does not coincide with the ideal waveform Sy0 and is close to a triangular waveform.
  • one pole is arranged on the outer side in the radial direction of one magnet 14. That is, there is no place where the pole switches in the rotation direction on the outer side in the radial direction of the magnet 14. For this reason, variations in both ends of the pole in the rotation direction due to variations in magnetization are suppressed. Therefore, distortion of the output waveform of the magnetic detection unit 13 is suppressed. Further, since the gap 15 is provided between the magnets 14 adjacent to each other in the rotation direction, the magnetic flux easily flows between the magnets 14 as shown in FIGS. It can be made uniform. Therefore, as indicated by a solid line in FIG. 8, the waveform of the detected magnetic flux Sy of the magnetic detector 13 corresponding to the tangential magnetic flux component of the magnetic field substantially matches the ideal waveform Sy0.
  • the rotation angle detection device 10 is disposed with the magnet unit 12 rotating together with the rotating body 5 and spaced radially outward with respect to the magnet unit 12, and is tangential to the magnetic field. And a magnetic detection unit 13 for detecting a magnetic flux component and a radial magnetic flux component.
  • the magnet unit 12 includes an even number of magnets 14 arranged in the rotation direction of the rotating body 5.
  • the magnet 14 is magnetized in the radial direction perpendicular to the rotational axis AX of the rotating body 5.
  • the even number of magnets 14 are arranged such that the radially outer poles differ between the magnets 14 adjacent in the rotational direction.
  • a gap 15 is provided between the magnets 14 adjacent in the rotation direction.
  • the 360 ° rotation angle of the rotating body 5 can be calculated by performing the arctan calculation based on the sin waveform signal and the cos waveform signal corresponding to the detection value of the magnetic detection unit 13.
  • the magnet part 12 is composed of an even number of magnets 14 divided in the rotation direction, and the magnetizing direction of each magnet 14 is the radial direction, so that one pole is arranged on the outer side in the radial direction of one magnet 14. Is done. That is, there is no place where the pole switches in the rotation direction on the outer side in the radial direction of the magnet 14. For this reason, variations in both ends of the pole in the rotation direction due to variations in magnetization are suppressed. Therefore, distortion of the output waveform of the magnetic detection unit 13 is suppressed, and detection accuracy is improved.
  • the gap 15 is provided between the magnets 14 adjacent to each other in the rotation direction, the magnetic flux easily flows between the magnets 14, and the change in the magnetic flux density during the rotation of the rotating body 5 can be made uniform. For this reason, the output waveform of the magnetic detection unit 13 approaches the ideal sin waveform and cosine waveform, and accurate detection is possible.
  • the detection cycle can be changed depending on the number of magnets 14. Compared with the ring-shaped magnet 92, the magnets 14 separated in the rotation direction are easy to magnetize and assemble, and have the advantage of being easy to manufacture.
  • the magnets 14 are arranged so as to be symmetric with respect to the virtual line L perpendicular to the rotation axis AX. Thereby, the magnetic flux density change at the time of rotation of the rotary body 5 can be made more uniform. For this reason, the output waveform of the magnetic detection unit 13 approaches the ideal sin waveform and cosine waveform, and accurate detection is possible.
  • the magnet 14 has a fan-shaped cross section perpendicular to the rotation axis AX.
  • the rotation angle detection device 20 surrounds the magnet unit 12 and the magnetic detection unit 13 and is arranged so as to be concentric with the rotation axis AX. 21 is provided.
  • the magnetic part 21 has a ring shape.
  • the magnetic part 21 is a cylindrical magnetic body. The length of the magnetic part 21 in the axial direction is longer than that of the magnet part 12, and the magnetic part 21 is arranged so as to overlap the magnet part 12 in the axial direction.
  • the magnetic part 21 By providing the magnetic part 21 in this way, the magnetic field by the magnet part 12 becomes a closed magnetic field. Therefore, the influence of the disturbance magnetic field is reduced and the detection accuracy is improved.
  • the rotation angle detection device 30 includes a magnetic yoke 31 that is disposed between the magnet 14 and the rotating body 5 and rotates together with the magnet 14.
  • the yoke 31 is cylindrical and is fitted and fixed to the rotating body 5.
  • the magnet 14 is fixed to the outer wall of the yoke 31.
  • the magnet 14 can be assembled to the rotating body 5 in the procedure of combining the yoke 31 and the rotating body 5 after combining the yoke 31 and the magnet 14.
  • the magnet 14 can be assembled
  • the yoke 31 is a magnetic body, the magnetic flux density of the magnetic field by the magnet part 12 becomes large, and robustness improves.
  • the magnets 441 to 444 of the magnet unit 42 of the rotation angle detecting device 40 are rectangular magnets along the tangential direction.
  • the magnet 44 is simply referred to as a magnet 44 when the magnets 441 to 444 are not particularly distinguished.
  • the magnet 44 is magnetized in the radial direction.
  • the radially outer side of the magnet 44 is magnetized to one of the N and S poles, and the radially inner side of the magnet 44 is magnetized to the other of the N and S poles.
  • the magnets 44 are arranged such that the radially outer poles differ between a pair of magnets 44 adjacent in the rotational direction.
  • a gap 15 is provided between a pair of magnets 44 adjacent in the rotation direction.
  • the magnets 44 are arranged so as to be symmetric with respect to a virtual line L perpendicular to the rotation axis AX. In the fourth embodiment, four magnets 44 are provided.
  • the magnets 44 have the same size and are arranged at equal intervals in the rotation direction.
  • the rotation angle of the rotator 5 is 0 ° and the line connecting 0 ° and 180 ° is an imaginary line L
  • the two magnets 441 and 443 having the N pole on the outer side in the radial direction are positioned on the imaginary line L.
  • the two magnets 442 and 444 whose radially outer side is the S pole are located on a line connecting 90 ° and 270 °.
  • the cross-sectional shape of the magnet 44 may be a rectangular shape instead of a fan shape. Still, the magnetizing direction of the magnets 44 is the radial direction, and the gap 15 is provided between the magnets 44, so that the same effect as in the first embodiment can be obtained. In addition, since the magnet 44 has a simple shape, the magnet 44 can be easily manufactured.
  • the magnet unit 52 of the rotation angle detection device 50 includes an even number of magnets 44 and the same number of magnetic flux rectifiers 51 as the magnets 44.
  • the magnetic flux rectifier 51 is made of a magnetic material and is provided integrally with the magnet 44.
  • the magnetic flux rectifier 51 has a sector shape in which the cross-sectional shape perpendicular to the rotation axis AX is substantially the same as that of the magnet 14 of the first embodiment.
  • a gap 15 is provided between a pair of magnetic flux rectifiers 51 adjacent in the rotation direction.
  • the output waveform of the magnetic detection unit 13 can be made close to the ideal sin waveform and cos waveform while simplifying the shape of the magnet 44. it can. Therefore, it is possible to detect with high accuracy while reducing the manufacturing cost.
  • the magnetic unit 61 of the rotation angle detection device 60 is configured such that the rotation angle of the cylindrical body 611 and the rotating body 5 is a predetermined angle (for example, 0 °). And a convex portion 612 protruding radially inward so as to face the magnet 14 in the radial direction.
  • the main body 611 has the same shape as the magnetic part 21 of the second embodiment. The same number of convex portions 612 as the magnets 14 are provided.
  • the magnetic part 61 is formed so as to be line symmetric with respect to the virtual line L.
  • the magnetic part 61 is provided with the convex part 612 in this manner, the magnetic flux is collected by the convex part 612, so that the magnetic flux density of the magnetic field formed around the magnetic detection part 13 by the magnet part 12 is increased and the robustness is improved.
  • the detected magnetic flux Sx1 solid line in FIG. 14
  • the detected magnetic flux Sx2 dotted line in FIG. 14
  • the magnetic detection unit 73 of the rotation angle detection device 70 is arranged to be separated from the first magnetic detection sensor 731 and the first magnetic detection sensor 731 in the rotation direction.
  • Second magnetic detection sensor 732 is disposed 90 degrees away from the first magnetic detection sensor 731 in the rotation direction.
  • the first magnetic detection sensor 731 has the same configuration as the magnetic detection unit 13 of the first embodiment.
  • the second magnetic detection sensor 732 has the same configuration as the magnetic detection unit 13 of the first embodiment except that the arrangement position is different.
  • angle detection can be performed using the second magnetic detection sensor 732.
  • the first magnetic detection sensor 731 and the second magnetic detection sensor 732 are disposed 90 degrees apart from each other in the rotation direction, so that the tangential magnetic flux component and the radial magnetic flux component of the magnetic field in each sensor are 90 °. ° Detected magnetic flux out of phase can be obtained. Therefore, the presence or absence of abnormality can be checked by comparing the mutual detection angles.
  • the magnet unit is not limited to four magnets, and may include, for example, six magnets 141 to 146 as shown in FIG. 16 outputs a detected magnetic flux Sy as shown in FIG. 17, and also outputs a detected magnetic flux Sx as shown in FIG. Further, the magnet portion may have eight magnets 141 to 148 as shown in FIG. 19 outputs a detected magnetic flux Sy as shown in FIG. 20, and also outputs a detected magnetic flux Sx as shown in FIG.
  • the rotation angle calculation circuit may be provided outside the magnetic detection unit.
  • the magnetic detection unit is not limited to the Hall element, and other magnetic sensors such as an MR element may be used.
  • the magnetic detection unit may detect the tangential magnetic flux component and the radial magnetic flux component with one element.

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Abstract

回転角度検出装置（１０）は、回転体（５）と共に回転する磁石部（１２）と、磁石部（１２）に対して径方向外側に離間して配置され、磁場の接線方向磁束成分および径方向磁束成分を検出する磁気検出部（１３）とを備える。磁石部（１２）は、回転体（５）の回転方向に並ぶ偶数個の磁石（１４）を有する。磁石（１４）は、回転体（５）の回転軸心（ＡＸ）に垂直な径方向に着磁されている。偶数個の磁石（１４）は、回転方向で隣り合う磁石（１４）間で径方向外側の極が異なるように配置されている。回転方向で隣り合う磁石（１４）間にはギャップ（１５）が設けられている。

Description

回転角度検出装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１８年３月２９日に出願された特許出願番号２０１８－６３６２７号に基づくものであり、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、回転角度検出装置に関する。
　従来、周方向に着磁されたリング形磁石を回転軸に取り付けつつ、リング形磁石に対して径方向外側に離間して磁気検出部を配置し、磁気検出部の出力値に基づき回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置が知られている。特許文献１では、磁気検出部は、回転方向に９０°離れて配置された２つのホール素子である。
特開昭５８－１６２８１３号公報
　リング形磁石の着磁は、着磁コイルにて磁力を印加して実施される。その際、リング形磁石の極が隣接する箇所では、着磁コイルの極が反対となり磁束を打ち消し合ったり、磁石材料の配向により着磁し易さが異なったりする。そのため、極の回転方向両端位置のばらつきが大きくなり、回転軸の回転時の磁束密度変化がばらつくおそれがある。そのため、磁気検出部の出力波形が歪み、検出精度が低下する。
　本開示は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出精度が向上した回転角度検出装置を提供することである。
　本開示の回転角度検出装置は、回転体と共に回転する磁石部と、磁石部に対して径方向外側に離間して配置され、磁場の接線方向磁束成分および径方向磁束成分を検出する磁気検出部とを備える。磁石部は、回転体の回転方向に並ぶ偶数個の磁石を有する。磁石は、回転体の回転軸心に垂直な径方向に着磁されている。偶数個の磁石は、回転方向で隣り合う磁石間で径方向外側の極が異なるように配置されている。回転方向で隣り合う磁石間にはギャップが設けられている。
　これにより、磁気検出部の検出磁束値に対応するｓｉｎ波形信号およびｃｏｓ波形信号に基づきａｒｃｔａｎ演算を行うことで、回転体の３６０°の回転角度を算出することができる。
　また、回転方向で分かれた偶数個の磁石から磁石部を構成し、各磁石の着磁方向を径方向とすることで、１つの磁石の径方向外側には１つの極が配置される。つまり、磁石の径方向外側には、回転方向で極の切り替わる箇所が無い。そのため、着磁ばらつきによる極の回転方向両端位置のばらつきが抑制される。そのため、磁気検出部の出力磁束波形の歪みが抑えられ、検出精度が向上する。
　また、回転方向で隣接する磁石間にギャップが設けられることで、それら磁石間で磁束が流れやすくなり、回転体の回転時の磁束密度変化を均一にすることができる。そのため、磁気検出部の出力波形が理想のｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形に近づき、精度の良い検出が可能となる。また、磁石の個数により検出周期を変更可能である。また、従来のリング形磁石と比べると、回転方向で分かれた磁石は着磁および組み付けが容易であり、製造し易いというメリットがある。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、第１実施形態の回転角度検出装置の模式図であり、 図２は、第１実施形態の磁気検出部のブロック図であり、 図３は、第１実施形態において、回転体の回転角度と第１ホール素子の検出磁束との関係を示す図であり、 図４は、第１実施形態において、回転体の回転角度と第２ホール素子の検出磁束との関係を示す図であり、 図５は、第１実施形態の変形例の回転角度検出装置の模式図であり、 図６は、図１に対応する図であって、磁石部が発生する磁束を破線の矢印で示す図であり、 図７は、図６のＶＩＩ部拡大図であり、 図８は、回転体の回転角度と磁場の接線方向磁束成分に対応する磁気検出部の検出磁束との関係を第１実施形態と比較形態とで比較して示す図であり、 図９は、第２実施形態の回転角度検出装置の模式図であり、 図１０は、第３実施形態の回転角度検出装置の模式図であり、 図１１は、第４実施形態の回転角度検出装置の模式図であり、 図１２は、第５実施形態の回転角度検出装置の模式図であり、 図１３は、第６実施形態の回転角度検出装置の模式図であり、 図１４は、回転体の回転角度と磁場の径方向磁束成分に対応する磁気検出部の検出磁束との関係を図１３の磁性部の凸部の有無で比較して示す図であり、 図１５は、第７実施形態の回転角度検出装置の模式図であり、 図１６は、第１の他の実施形態の回転角度検出装置の模式図であり、 図１７は、第１の他の実施形態において、回転体の回転角度と第１ホール素子の検出磁束との関係を示す図であり、 図１８は、第１の他の実施形態において、回転体の回転角度と第２ホール素子の検出磁束との関係を示す図であり、 図１９は、第２の他の実施形態の回転角度検出装置の模式図であり、 図２０は、第２の他の実施形態において、回転体の回転角度と第１ホール素子の検出磁束との関係を示す図であり、 図２１は、第２の他の実施形態において、回転体の回転角度と第２ホール素子の検出磁束との関係を示す図であり、 図２２は、比較形態において、リング形磁石が発生する磁束を破線の矢印で示す図であり、 図２３は、図２２のＸＸＩＩＩ部拡大図である。
　以下、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。装置の構造を示す図面は、構成を分かり易くするために模式的に示している。各部の寸法、角度および寸法比は必ずしも正確なものではない。
［第１実施形態］
　第１実施形態の回転角度検出装置１０を図１に示す。回転角度検出装置１０は、回転体５の回転角度を検出する装置であり、磁石部１２および磁気検出部１３を備えている。磁気検出部１３からの回転角度信号は、外部の図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）等に伝達される。
　以下の説明において、回転体５の回転軸心ＡＸに垂直な方向のことを「径方向」と記載する。また、回転体５の横断面において回転軸心ＡＸを中心とする円の接線方向のことを単に「接線方向」と記載する。また、回転体５の回転方向のことを単に「回転方向」と記載する。
　磁石部１２は、回転体５の外壁部に固定されており、回転体５と共に回転する。磁石部１２は、回転方向に並ぶ偶数個の磁石１４１～１４４を有している。以降、磁石１４１～１４４を特に区別しない場合、単に磁石１４と記載する。磁石１４は、径方向に着磁されている。各磁石１４は、回転方向で隣り合う一対の磁石１４間で径方向外側の極が異なるように配置されている。回転方向で隣り合う一対の磁石１４間にはギャップ１５が設けられている。
　各磁石１４は、回転軸心ＡＸに垂直な仮想線Ｌに対して線対称となるように配置されている。第１実施形態では、磁石１４は４個設けられている。各磁石１４は、大きさが同じであり、回転方向で等間隔に配置されている。回転体５の回転角度が０°であるときに０°と１８０°を結ぶ線を仮想線Ｌとすると、径方向外側がＮ極となる２つの磁石１４１、１４３が仮想線Ｌ上に位置している。また、径方向外側がＳ極となる２つの磁石１４２、１４４が９０°と２７０°を結ぶ線上に位置している。
　磁石１４は、回転方向に沿う円弧状の磁石である。すなわち、磁石１４は、回転軸心ＡＸに垂直な断面形状が扇形である。磁石１４の径方向外側がＮ極およびＳ極の一方に着磁されており、また、磁石１４の径方向内側がＮ極およびＳ極の他方に着磁されている。図１および以降の図面において、１つの磁石におけるＮ極とＳ極との境界を細実線で示す。
　磁気検出部１３は、磁石部１２に対して径方向外側に離間して配置され、磁場の磁束密度の接線方向成分（以下、接線方向磁束成分）および磁束密度の径方向成分（以下、径方向磁束成分）を検出する。磁気検出部１３は、例えば図示しない固定部材などに一体に保持される。
　第１実施形態では、磁気検出部１３は、図２に示すように第１ホール素子２７、第２ホール素子２８、および回転角演算回路２９を有している。
　第１ホール素子２７および第２ホール素子２８は、検出面の向きが互いに９０°異なるように配置されている。第１ホール素子２７は、磁気検出部１３の配置箇所の磁場の接線方向磁束成分を検出し、図３に示すような検出磁束Ｓｙを出力する。検出磁束Ｓｙはｓｉｎ波形信号である。第２ホール素子２８は、磁気検出部１３の配置箇所の磁場の径方向磁束成分を検出し、図４に示すような検出磁束Ｓｘを出力する。検出磁束Ｓｘはｃｏｓ波形信号である。ｓｉｎ波形信号とｃｏｓ波形信号は、互いに９０°の位相差を有する信号である。
　第１実施形態では、磁気検出部１３は図１に示す向き（すなわち、横向き）に配置されている。これに対して、図５に示す変形例のように、磁気検出部１３は、図１に示す向きから９０°回転させた向き（すなわち、縦向き）に配置されてもよい。これにより、検出磁束Ｓｙおよび検出磁束Ｓｘの振幅の差を第１のホール素子２７と第２のホール素子２８の感度差によって調整できる。他の実施形態においても同様にホール素子の向きを変えてもよい。また、磁気検出部１３の向きに関わらず、検出磁束Ｓｙおよび検出磁束Ｓｘの振幅の差を例えば磁気検出部１３等で補正してもよい。
　図２に戻って、回転角演算回路２９は、これらの検出磁束Ｓｙおよび検出磁束Ｓｘに基づきａｒｃｔａｎ演算を行い、回転体５の３６０°の回転角度を算出する。
　ここで、第１実施形態と比較形態との比較により、第１実施形態の有利な点を明らかにする。図２２に示すように、比較形態の回転角度検出装置９０は、磁石部として、周方向に着磁されたリング形磁石９２を備えている。リング形磁石９２の径方向外側には、回転方向で極の切り替わる箇所、すなわち極の境界部位が４箇所ある。
　リング形磁石９２の着磁は、着磁コイルにて磁力を印加して実施される。その際、リング形磁石９２の極が隣接する箇所では、着磁コイルの極が反対となり磁束を打ち消し合ったり、磁石材料の配向により着磁し易さが異なったりする。そのため、図２３に示すように、極の境界部位は、二点鎖線で示す所望の位置から外れることがある。これにより、リング形磁石９２の極の回転方向両端位置が大きくばらつく。また、極同士が回転方向で隙間無く連続して設けられているため、極の角部の磁束は強く、極の境界部分で磁束が乱れる。そのため、回転体５の回転時の磁束密度変化がばらつき、磁気検出部９３の出力波形が歪む。図８に破線で示すように、磁場の接線方向磁束成分に対応する磁気検出部９３の検出磁束Ｓｙ１の波形は、理想波形Ｓｙ０とは一致せず、三角波形に近くなる。
　これに対して、第１実施形態では、図１に示すように、１つの磁石１４の径方向外側には１つの極が配置される。つまり、磁石１４の径方向外側には、回転方向で極の切り替わる箇所が無い。そのため、着磁ばらつきによる極の回転方向両端位置のばらつきが抑制される。そのため、磁気検出部１３の出力波形の歪みが抑えられる。また、回転方向で隣接する磁石１４間にギャップ１５が設けられることで、図６、図７に示すようにそれら磁石１４間で磁束が流れやすくなり、回転体５の回転時の磁束密度変化を均一にすることができる。そのため、図８に実線で示すように、磁場の接線方向磁束成分に対応する磁気検出部１３の検出磁束Ｓｙの波形は、理想波形Ｓｙ０と略一致する。
　（効果）
　以上説明したように、第１実施形態では、回転角度検出装置１０は、回転体５と共に回転する磁石部１２と、磁石部１２に対して径方向外側に離間して配置され、磁場の接線方向磁束成分および径方向磁束成分を検出する磁気検出部１３とを備える。磁石部１２は、回転体５の回転方向に並ぶ偶数個の磁石１４を有する。磁石１４は、回転体５の回転軸心ＡＸに垂直な径方向に着磁されている。偶数個の磁石１４は、回転方向で隣り合う磁石１４間で径方向外側の極が異なるように配置されている。回転方向で隣り合う磁石１４間にはギャップ１５が設けられている。
　これにより、磁気検出部１３の検出値に対応するｓｉｎ波形信号およびｃｏｓ波形信号に基づきａｒｃｔａｎ演算を行うことで、回転体５の３６０°の回転角度を算出することができる。
　また、回転方向で分かれた偶数個の磁石１４から磁石部１２を構成し、各磁石１４の着磁方向を径方向とすることで、１つの磁石１４の径方向外側には１つの極が配置される。つまり、磁石１４の径方向外側には、回転方向で極の切り替わる箇所が無い。そのため、着磁ばらつきによる極の回転方向両端位置のばらつきが抑制される。そのため、磁気検出部１３の出力波形の歪みが抑えられ、検出精度が向上する。
　また、回転方向で隣接する磁石１４間にギャップ１５が設けられることで、それら磁石１４間で磁束が流れやすくなり、回転体５の回転時の磁束密度変化を均一にすることができる。そのため、磁気検出部１３の出力波形が理想のｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形に近づき、精度の良い検出が可能となる。また、磁石１４の個数により検出周期を変更可能である。また、リング形磁石９２と比べると、回転方向で分かれた磁石１４は着磁および組み付けが容易であり、製造し易いというメリットがある。
　また、第１実施形態では、各磁石１４は、回転軸心ＡＸに垂直な仮想線Ｌに対して線対称となるように配置されている。これにより、回転体５の回転時の磁束密度変化を一層均一にすることができる。そのため、磁気検出部１３の出力波形が理想のｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形に近づき、精度の良い検出が可能となる。
　また、第１実施形態では、磁石１４は、回転軸心ＡＸに垂直な断面形状が扇形である。これにより、回転方向で隣り合う一対の磁石１４において、径方向外側の角部間で磁束が流れやすくなる。そのため、磁気検出部１３の出力波形が理想のｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形に近づき、精度の良い検出が可能となる。
　［第２実施形態］
　第２実施形態では、図９に示すように、回転角度検出装置２０は、磁石部１２および磁気検出部１３を囲むように、且つ、回転軸心ＡＸと同心になるように配置された磁性部２１を備えている。磁性部２１はリング形状である。第２実施形態では、磁性部２１は、筒状の磁性体である。磁性部２１の軸方向長さは磁石部１２よりも長く、また、磁性部２１は軸方向で磁石部１２と重なるように配置されている。
　このように磁性部２１を設けることで、磁石部１２による磁界が閉磁界となる。そのため、外乱磁界の影響が軽減され、検出精度が向上する。
　［第３実施形態］
　第３実施形態では、図１０に示すように、回転角度検出装置３０は、磁石１４と回転体５との間に配置され、磁石１４と共に回転する磁性体のヨーク３１を備えている。ヨーク３１は、筒状であり、回転体５に嵌合して固定されている。磁石１４は、ヨーク３１の外壁に固定されている。
　このようにヨーク３１を設けることで、ヨーク３１と磁石１４とを組み合わせた後に、ヨーク３１を回転体５に組み合わせるという手順で磁石１４を回転体５に組み付けることができる。これにより、回転体５の形状に関わらず磁石１４を組み付けることができ、磁石１４の組み付け性が向上する。また、ヨーク３１が磁性体であることから、磁石部１２による磁場の磁束密度が大きくなりロバスト性が向上する。
　［第４実施形態］
　第４実施形態では、図１１に示すように、回転角度検出装置４０の磁石部４２の磁石４４１～４４４は、接線方向に沿う矩形状の磁石である。磁石４４は、以降、磁石４４１～４４４を特に区別しない場合、単に磁石４４と記載する。磁石４４は、径方向に着磁されている。磁石４４の径方向外側がＮ極およびＳ極の一方に着磁されており、また、磁石４４の径方向内側がＮ極およびＳ極の他方に着磁されている。各磁石４４は、回転方向で隣り合う一対の磁石４４間で径方向外側の極が異なるように配置されている。回転方向で隣り合う一対の磁石４４間にはギャップ１５が設けられている。
　各磁石４４は、回転軸心ＡＸに垂直な仮想線Ｌに対して線対称となるように配置されている。第４実施形態では、磁石４４は４個設けられている。各磁石４４は、大きさが同じであり、回転方向で等間隔に配置されている。回転体５の回転角度が０°であるときに０°と１８０°を結ぶ線を仮想線Ｌとすると、径方向外側がＮ極となる２つの磁石４４１、４４３が仮想線Ｌ上に位置している。また、径方向外側がＳ極となる２つの磁石４４２、４４４が９０°と２７０°を結ぶ線上に位置している。
　このように磁石４４の断面形状は扇形状ではなく矩形状であってもよい。それでも、磁石４４の着磁方向が径方向であり、各磁石４４間にギャップ１５が設けられることで、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、磁石４４の形状が単純形状となることで、磁石４４の製造が容易になる。
　［第５実施形態］
　第５実施形態では、図１２に示すように、回転角度検出装置５０の磁石部５２は、偶数個の磁石４４と、磁石４４と同数の磁束整流体５１とを有している。磁束整流体５１は、磁性材からなり、磁石４４と一体に設けられている。磁束整流体５１は、回転軸心ＡＸに垂直な断面形状が第１実施形態の磁石１４と略同じ扇形である。回転方向で隣り合う一対の磁束整流体５１間にはギャップ１５が設けられている。
　このように矩形状の磁石４４と一体に扇形の磁束整流体５１を設けることで、磁石４４の形状を簡易にしつつ、磁気検出部１３の出力波形を理想のｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形に近づけることができる。そのため、製造コストを低減しつつ精度の良い検出が可能となる。
　［第６実施形態］
　第６実施形態では、図１３に示すように、回転角度検出装置６０の磁性部６１は、筒状の本体部６１１と、回転体５の回転角度が所定角度（例えば０°）であるときに径方向で磁石１４に対向するように径方向内側に突き出す凸部６１２とを有している。本体部６１１は、第２実施形態の磁性部２１と同じ形状である。凸部６１２は磁石１４と同数設けられる。磁性部６１は、仮想線Ｌに対して線対称となるように形成されている。
　このように磁性部６１に凸部６１２を設けることで、凸部６１２により磁束が集められるので、磁石部１２により磁気検出部１３周りに形成される磁場の磁束密度が大きくなりロバスト性が向上する。図１４に示すように、凸部６１２が有る第６実施形態での検出磁束Ｓｘ１（図１４中の実線）は、凸部６１２が無い形態での検出磁束Ｓｘ２（図１４中の一点鎖線）と比べて大きくなる。
　［第７実施形態］
　第７実施形態では、図１５に示すように、回転角度検出装置７０の磁気検出部７３は、第１磁気検出センサ７３１と、第１磁気検出センサ７３１に対して回転方向に離間して配置されている第２磁気検出センサ７３２とを含む。第７実施形態では、第２磁気検出センサ７３２は、第１磁気検出センサ７３１に対して回転方向に９０°離間して配置されている。第１磁気検出センサ７３１は、第１実施形態の磁気検出部１３と同じ構成である。また、第２磁気検出センサ７３２は、配置位置が異なることを除けば第１実施形態の磁気検出部１３と同じ構成である。
　このように磁気検出センサが２つ設けられることで、例えば第１磁気検出センサ７３１が故障した場合、第２磁気検出センサ７３２を用いて角度検出が可能となる。また、第１磁気検出センサ７３１と第２磁気検出センサ７３２とが互いに回転方向に９０°離間して配置されることで、それぞれのセンサにおいて磁場の接線方向磁束成分と径方向磁束成分とが９０°位相がずれた検出磁束を得ることができる。そのため、相互の検出角度を比べることで異常の有無をチェックすることができる。
　［他の実施形態］
　他の実施形態では、磁石部は、４個の磁石に限らず、例えば図１６に示すように６個の磁石１４１～１４６を有していてもよい。図１６の磁気検出部１３は、図１７に示すような検出磁束Ｓｙを出力し、また、図１８に示すような検出磁束Ｓｘを出力する。また、磁石部は、図１９に示すように８個の磁石１４１～１４８を有していてもよい。図１９の磁気検出部１３は、図２０に示すような検出磁束Ｓｙを出力し、また、図２１に示すような検出磁束Ｓｘを出力する。
　他の実施形態では、回転角演算回路は、磁気検出部ではなく、その外部に設けられてもよい。また、他の実施形態では、磁気検出部は、ホール素子に限らず、ＭＲ素子等の他の磁気センサを用いてもよい。また、他の実施形態では、磁気検出部は、１つの素子で接線方向磁束成分と径方向磁束成分とを検出してもよい。
　本開示は、実施形態に基づき記述された。しかしながら、本開示は当該実施形態および構造に限定されるものではない。本開示は、様々な変形例および均等の範囲内の変形をも包含する。また、様々な組み合わせおよび形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせおよび形態も、本開示の範疇および思想範囲に入るものである。

Claims (9)

  1. 　回転体（５）の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
    　前記回転体と共に回転する磁石部（１２、４２、５２）と、
    　前記磁石部に対して径方向外側に離間して配置され、磁場の接線方向磁束成分および径方向磁束成分を検出する磁気検出部（１３、７３）と、
    　を備え、
    　前記磁石部は、前記回転体の回転方向に並ぶ偶数個の磁石（１４１～１４８、４４１～４４４）を有し、
    　前記磁石は、前記回転体の回転軸心（ＡＸ）に垂直な径方向に着磁されており、
    　前記偶数個の磁石は、回転方向で隣り合う前記磁石間で径方向外側の極が異なるように配置されており、
    　回転方向で隣り合う前記磁石間にはギャップ（１５）が設けられている回転角度検出装置。
  2. 　前記磁石部および前記磁気検出部を囲むように、且つ、前記回転軸心と同心になるように配置された磁性部（２１、６１）をさらに備える請求項１に記載の回転角度検出装置。
  3. 　前記磁性部はリング形状である請求項２に記載の回転角度検出装置。
  4. 　前記磁性部（６１）は、前記回転体の回転角度が所定角度であるときに径方向で前記磁石に対向するように径方向内側に突き出す、前記磁石と同数の凸部（６１２）を有する請求項２または３に記載の回転角度検出装置。
  5. 　前記偶数個の磁石は、前記回転軸心に垂直な仮想線（Ｌ）に対して線対称となるように配置されている請求項１～４のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
  6. 　前記磁石（１４１～１４８）は、前記回転軸心に垂直な断面形状が扇形である請求項１～５のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
  7. 　前記磁石と前記回転体との間に配置され、前記磁石と共に回転する磁性体のヨーク（３１）をさらに備える請求項１～６のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
  8. 　前記磁性部は、前記磁石と一体に設けられる磁束整流体（５１）をさらに有し、
    　前記磁束整流体は、磁性材からなり、前記回転軸心に垂直な断面形状が扇形である請求項１～７のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
  9. 　前記磁気検出部（７３）は、第１磁気検出センサ（７３１）と、当該第１磁気検出センサに対して回転方向に離間して配置されている第２磁気検出センサ（７３２）とを含む請求項１～８のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
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