WO2020121566A1 - 磁気センサユニット - Google Patents

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WO2020121566A1
WO2020121566A1 PCT/JP2019/026875 JP2019026875W WO2020121566A1 WO 2020121566 A1 WO2020121566 A1 WO 2020121566A1 JP 2019026875 W JP2019026875 W JP 2019026875W WO 2020121566 A1 WO2020121566 A1 WO 2020121566A1
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magnetic
magnet
magnetic sensor
shield
sensor unit
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PCT/JP2019/026875
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和弘 尾中
清高 山田
一宮　礼孝
吉内　茂裕
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a magnetic sensor unit for detecting a rotation angle of a rotation shaft.
  • Patent Document 1 discloses a structure in which a magnetic yoke is arranged on a magnet to obtain an increased magnetic flux density and a magnetic shield effect.
  • Patent Document 2 discloses a configuration in which a shield case that covers a magnet and a magnetic sensor is provided.
  • the magnetic sensor unit includes a magnet, a magnetic sensor arranged so as to face a lower surface of the magnet, a magnetic shield arranged so as to surround the magnetic sensor in a lateral direction crossing the vertical direction of the magnetic sensor, and an upper surface of the magnet. And a magnetic yoke that covers the side surface.
  • the magnet has a first magnetized region magnetized in the vertical direction and a second magnetized region magnetized in the opposite direction to the first magnetized region. The first and second magnetized regions form the first and second magnetic poles on the lower surface of the magnet, respectively.
  • the distance LA from the center of the first magnetic pole to the center of the second magnetic pole, the distance LB from the center of the first magnetic pole to the magnetic shield, and the distance LC from the center of the second magnetic pole to the magnetic shield are The relationship of LA ⁇ LB+LC is satisfied.
  • This magnetic sensor unit has a magnetic shielding property and is small.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the magnetic sensor unit according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the magnetic sensor of the magnetic sensor unit according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram of a circuit block of the magnetic sensor shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a signal processing operation in the control circuit of the magnetic sensor shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between magnetic field strength and angular accuracy of various magnetic sensors.
  • FIG. 6 is a bottom view of the magnet of the magnetic sensor unit according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line VII-VII of the magnet shown in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing a magnetic field distribution of the magnet in the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the magnetic sensor unit according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the magnetic sensor of the magnetic sensor unit according to the embodiment.
  • FIG. 3
  • FIG. 9 is a diagram showing a magnetic density distribution on the lower surface of the magnet in the embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing a magnetizing method of the magnet in the embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing a magnetic field distribution of the magnet to which the yoke according to the embodiment is attached.
  • FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view of the magnetic sensor unit shown in FIG.
  • FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of another magnetic sensor unit according to the embodiment.
  • each diagram is a schematic diagram and is not necessarily an exact illustration.
  • substantially the same structure is denoted by the same reference numeral, and overlapping description is omitted or simplified.
  • FIG. 1 is a sectional view of the magnetic sensor unit according to the embodiment.
  • the magnetic sensor unit 100 includes a magnet 10, a magnetic sensor 20, a magnetic yoke 30, and a magnetic shield 40.
  • the magnet 10 is connected to the tip of the rotating shaft 1 extending along the rotating shaft line 1a extending in the up-down direction D1 and rotates together with the rotating shaft 1.
  • the magnetic sensor 20 detects the direction of the detection magnetic field which is the magnetic field generated by the magnet 10 in the detection area which is an area between the magnet 10 and the magnetic sensor 20.
  • the magnetic shield 40 shields an external magnetic field acting from the outside of the magnetic sensor unit 100 and prevents the magnetic shield 40 from reaching the magnetic sensor 20 without passing through the magnetic shield 40.
  • the magnetic yoke 30 increases the magnetic flux density applied to the magnetic sensor 20 in the magnet 10.
  • FIG. 2 is a sectional view of the magnetic sensor 20.
  • the magnetic sensor 20 has a magnetoresistive element 21 and a circuit element 22.
  • the magnetoresistive element 21 and the circuit element 22 are shown as an example in which they are arranged inside the resin molded body 23 and integrated.
  • the circuit element 22 is mounted on the die pad 24.
  • the magnetoresistive element 21 is mounted on the circuit element 22.
  • the magnetoresistive element 21 and the circuit element 22 are electrically connected by a bonding wire 25.
  • the circuit element 22 is connected to the lead 26 by a bonding wire 25.
  • FIG. 3 is a block diagram of a circuit block of the magnetic sensor 20.
  • FIG. 4 is a diagram showing a signal processing operation in the circuit block.
  • the magnetoresistive element 21 has a bridge circuit BR1 and a bridge circuit BR2 including the magnetic resistances MR1 to MR8.
  • the magnetic resistances MR1 to MR8 have electric resistances that change according to the applied magnetic field.
  • the bridge circuits BR1 and BR2 are Wheatstone bridge circuits.
  • the bridge circuit BR1 has a series body BR1a made up of magnetic resistances MR1 and MR2 connected in series at a connection point N13 and a series body BR1b made up of magnetic resistances MR3 and MR4 connected in series at a connection point N14. doing.
  • the series bodies BR1a and BR1b are connected in parallel to each other between the connection points N11 and N12 at the connection points N11 and N12.
  • the bridge circuit BR2 has a series body BR2a composed of magnetic resistances MR5 and MR6 connected in series at a connection point N23, and a series body BR2b composed of magnetic resistances MR7 and MR8 connected in series at a connection point N24. doing.
  • the serial bodies BR2a and BR2b are connected in parallel to each other between the connection points N21 and N22 between the connection points N21 and N22.
  • the connection points N11 and N21 are connected to the reference potential Vc, and the connection points N12 and N22 are connected to the ground (GND).
  • the magnetoresistors MR1 to MR8 are formed of anisotropic magnetoresistors.
  • the anisotropic magnetoresistive can be composed of a metal pattern having a magnetoresistive effect containing an iron-nickel alloy.
  • the anisotropic magnetoresistance changes its electric resistance according to the change in the direction and magnitude of the detected magnetic field.
  • the circuit element 22 detects the potentials of the connection points N13 and N14 of the bridge circuit BR1 and the potentials of the connection points N23 and N24 of the bridge circuit BR2.
  • the circuit element 22 detects the potentials at the connection points N13 and N23.
  • a magnetic sensor using anisotropic magnetoresistive can detect up to a region where the magnetic field strength is larger than that of magnetic sensors using other elements.
  • the distortion of the output waveform is removed as the magnetic field strength increases, and the detected electric signal has a characteristic that it approaches an ideal value. Therefore, in the region where the magnetic field strength is relatively large, the magnetic sensor using the anisotropic magnetoresistive (AMR) uses the magnetic sensor using the giant magnetoresistive (GMR) or the tunnel effect type magnetoresistive (TMR). It has a higher angle detection accuracy than a magnetic sensor using a magnetic sensor or a Hall element (Hall element).
  • FIG. 5 shows the relationship between the strength of the magnetic field applied to the magnetic sensor using different types of elements and the accuracy of the detected angle.
  • the angular accuracy of detection increases as the magnetic field strength increases.
  • the magnetic sensor using the GMR has low angular accuracy when the magnetic field strength is 80 mT or more. This is a problem that occurs because the magnetic field intensity region in which the pin layer of GMR acts ideally is 60 to 80 mT.
  • the magnetic sensor using TMR has a low angle accuracy when the magnetic field strength is 80 mT or more. This is also a problem that occurs because the pin layer of the TMR element ideally operates in a magnetic field strength region of 30 to 50 mT.
  • the magnetic sensor using the Hall element Since the magnetic sensor using the Hall element has a small detection output, multistage amplification processing is required. Therefore, there is a problem that the variation of the measurement angle becomes large with respect to the variation of the detected magnetic field. Therefore, since the magnetic field sensor using the anisotropic magnetoresistive device can set a large detection magnetic field, the influence of the disturbance magnetic field becomes relatively small. As a result, the magnetic sensor can perform highly accurate detection with a large S/N.
  • a series body of the magnetic resistance MR1 and the magnetic resistance MR2 and a series body of the magnetic resistance MR3 and the magnetic resistance MR4 are connected in parallel between the reference potential Vc and the ground GND.
  • An intermediate potential that is, the potential at the connection point N13, is output as the detection signal sin+ from between the magnetic resistances MR1 and MR2.
  • An intermediate potential that is, the potential at the connection point N14, is output as a detection signal sin ⁇ from between the magnetic resistances MR3 and MR4.
  • a series body of the magnetic resistance MR5 and the magnetic resistance MR6 and a series body of the magnetic resistance MR7 and the magnetic resistance MR8 are connected in parallel between the reference potential Vc and the ground GND.
  • An intermediate potential, that is, the potential at the connection point N23 is output as a detection signal cos+ from between the magnetic resistances MR5 and MR6.
  • An intermediate potential, that is, the potential at the connection point N24, is output as a detection signal cos ⁇ from between the magnetic resistances MR7 and MR8.
  • the phase of the detection signal cos+ deviates from the detection signal sin+ by 90° and the phase of the detection signal cos ⁇ deviates from the detection signal sin ⁇ by 90° with respect to the rotation of the detection magnetic field. It is arranged.
  • the circuit element 22 has differential amplifiers 27a and 27b and an arithmetic processing unit 28.
  • the circuit element 28 only the minimum configuration necessary for the description of the present disclosure will be described, and the configuration is not limited to this.
  • the signal sin+ and the signal sin ⁇ output from the bridge circuit BR1 are input to the differential amplifier 27a.
  • the differential amplifier 27a generates and outputs an amplified signal sin from the input signal sin+ and signal sin ⁇ .
  • the differential amplifier 27a generates the difference obtained by subtracting the signal sin ⁇ from the signal sin+ as the amplified signal sin.
  • the signal cos+ and the signal cos ⁇ output from the bridge circuit BR2 are input to the differential amplifier 27b.
  • the differential amplifier 27b generates and outputs an amplified signal cos from the input signal cos+ and signal cos ⁇ .
  • the differential amplifier 27b generates the difference obtained by subtracting the signal cos ⁇ from the signal cos+ as the amplified signal cos.
  • the signal sin output from the differential amplifier 27a and the signal cos output from the differential amplifier 27b are input to the arithmetic processing unit 28.
  • the arithmetic processing unit 28 performs arctan arithmetic on the input signals sin and cos.
  • the arithmetic processing unit 28 outputs the signal arctan that has undergone the arctan arithmetic processing.
  • the arithmetic processing unit 28 outputs the quotient obtained by dividing the signal cos by the signal sin as the signal arctan.
  • a signal arctan is output from the circuit element 22 of the magnetic sensor 20.
  • the signal arctan has rotation information including the rotation angle of the magnet 10.
  • FIG. 6 is a bottom view of the magnet 10.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the magnet 10 shown in FIG. 6 taken along the line VII-VII.
  • the magnet 10 is composed of a disk-shaped permanent magnet having a circular upper surface 10a and a lower surface 10b.
  • the magnet 10 has a side surface 10c which is connected to the upper surface 10a and the lower surface 10b and wholly surrounds the upper surface 10a and the lower surface 10b.
  • the magnet 10 has a magnetized region 11 and a magnetized region 12 which are connected to each other.
  • the magnetized region 11 is one semi-circular portion obtained by dividing the magnet 10 into two in a top view.
  • the magnetized region 12 is the other semi-circular portion of the magnet 10 in a top view.
  • the magnetized regions 11 and 12 are arranged in the juxtaposed direction D2a orthogonal to the vertical direction D1.
  • the magnetized region 11 is magnetized in the magnetization direction 11d in the downward direction D12 of the vertical direction D1.
  • a region 11a above the magnetized region 11 is an S pole, and a region 11b below the magnetized region 11 is an N pole.
  • the magnetized region 12 is magnetized in the magnetization direction 12d in the upward direction D11 of the vertical direction D1.
  • the magnetization direction 12d of the magnetized region 12 is opposite to the magnetization direction 11d of the magnetized region 11.
  • a region 12b below the magnetized region 12 is an S pole, and a region 12a above the magnetized region 12 is an N pole.
  • each region is divided by a broken line in the drawing, the region is divided by the distribution of magnetic poles.
  • the magnetized region 11 forms a magnetic pole P1b that is an N pole on the lower surface 10b of the magnet 10
  • the magnetized region 12 is an S pole that is the opposite polarity of the magnetic pole P1b on the lower surface 10b of the magnet 10.
  • a certain magnetic pole P2b is formed.
  • the magnetized region 11 forms a magnetic pole P1a that is an S pole on the upper surface 10a of the magnet 10
  • the magnetized region 12 forms a magnetic pole P2a that is an N pole that is the opposite polarity of the magnetic pole P1a on the upper surface 10a of the magnet 10.
  • FIG. 8 shows the magnetic field distribution of the magnet 10.
  • the magnetic force line Ma on the upper surface side of the magnet 10 in the figure goes from the magnetic pole P2a of the region 12a in the magnetized region 12 to the magnetic pole P1a of the region 11a in the magnetized region 11.
  • the magnetic force line Mb on the lower surface side of the magnet 10 in the figure goes from the magnetic pole P1b in the region 11b in the magnetized region 11 to the magnetic pole P2b in the region 12b in the magnetized region 12.
  • the magnetic force line Mc1 on the left side of the magnet 10 in the figure goes from the region 11b in the magnetized region 11 to the region 11a.
  • the magnetic force line Mc2 on the right side of the magnet 10 in the figure goes from the region 12a in the magnetized region 12 to the region 12b.
  • the magnetic field distribution of the magnet 10 has a small lateral spread.
  • FIG. 9 shows the magnetic density distribution on the lower surface 10b of the magnet 10.
  • the center 11c of the magnetic pole P1b in the magnetized region 11 is the portion where the magnetic density in the magnetic pole P1b in the magnetized region 11 is the highest.
  • the center 12c of the magnetic pole P2b in the magnetized region 12 is a portion where the magnetic density in the magnetic pole P2b in the magnetized region 12 is the highest. It can be considered that the center 11c of the magnetic pole P1b is located at a distance of 1 ⁇ 2 of the radius Rr of the lower surface 10b from the center of the lower surface 10b of the magnet 10 in the arranging direction D2a in which the magnetized regions 11 and 12 are arranged side by side. It can be considered that the magnetic center 12c is located at a distance 1 ⁇ 2 of the radius Rr from the center of the lower surface 10b in the juxtaposed direction D2a.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a method of magnetizing the magnet 10.
  • the magnet 10 can be magnetized by magnetizing the magnetic body 10x made of a magnetic material such as ferrite in a disk shape.
  • the magnetizing device 50 includes a magnetizing portion 51 and a magnetizing portion 52.
  • the magnetizing portion 51 on the left side of the drawing can apply a downward magnetic field 51a to the left half of the magnetic body 10x.
  • the magnetizing portion 52 on the right side in the drawing can apply an upward magnetic field 52a to the right half of the magnetic body 10x.
  • FIG. 11 shows the magnetic field distribution of the magnet 10 to which the magnetic yoke 30 is attached.
  • the magnetic yoke 30 is made of a ferromagnetic material such as pure iron.
  • the magnetic yoke 30 is arranged so as to cover the entire upper surface 10a and side surface 10c so as to contact the upper surface 10a and side surface 10c of the magnet 10. That is, the outer surface of the magnet 10 is covered except for the lower surface 10b of the magnet 10 that faces the magnetic sensor 20.
  • the magnetic flux density of the detection magnetic field Md becomes large.
  • the magnetic field strengths in the detection regions of the magnet 10 having the magnetic yoke 30, the magnet 10 having no magnetic yoke 30 and the two-pole magnet having no magnetic yoke 30 are compared.
  • the magnetic field strength of the magnet 10 to which the magnetic yoke 30 is attached shows about 120 mT.
  • the magnetic field strength of the magnet 10 to which the magnetic yoke 30 is not attached is about 90 mT.
  • the magnetic field strength of the two-pole magnet without the magnetic yoke 30 attached is about 40 mT.
  • a large detection magnetic field Md can be applied to the magnetic sensor 20 by the magnet 10 to which the magnetic yoke 30 according to the present disclosure is attached.
  • the magnetic field strength of the detection magnetic field Md applied to the magnetic sensor 20 is increased, so that the influence of the disturbance magnetic field is relatively reduced. As a result, the magnetic sensor 20 can perform highly accurate detection with a large S/N. However, it is preferable to use an anisotropic magnetic resistance for the magnetic sensor 20 because the detection magnetic field Md becomes large.
  • the magnetic shield 40 is made of a ferromagnetic material such as pure iron.
  • the magnetic shield 40 is arranged so as to surround the magnetic sensor 20 in a side direction D2 that intersects the vertical direction D1 of the magnetic sensor 20 at a right angle.
  • the magnetic shield 40 has a ring shape surrounding the magnetic sensor 20 in a top view.
  • FIG. 12 is an enlarged sectional view of the magnetic sensor unit 100.
  • the center 11c of the magnetic pole P1b of the magnetized area 11 is separated from the center 12c of the magnetic pole P2b of the magnetized area 12 by the distance LA.
  • the center 11c of the magnetic pole P1b of the magnetized region 11 is separated from the magnetic shield 40 by a distance LB.
  • the center 12c of the magnetic pole P2b of the magnetized region 12 is separated from the magnetic shield 40 by the distance LC.
  • the distances LA, LB, and LC satisfy the relationship of LA ⁇ LB+LC.
  • the detection magnetic field Md in the magnetic sensor unit 100 goes from the magnetic pole center 11c to the magnetic pole center 12c as shown in FIG. Since the detection region in which the detection magnetic field Md is formed is formed in the air, the magnetic permeability of the detection region is 1.
  • the magnetic shield 40 is made of a ferromagnetic material and its magnetic permeability exceeds 1000. Therefore, the influence of the magnetic resistance of the magnetic shield 40 can be ignored. Therefore, the magnetic resistance in the air from the center 11c of the magnetic pole P1b to the center 12c of the magnetic pole P2b is smaller than the magnetic resistance from the center 11c of the magnetic pole P1b to the center 12c of the magnetic pole P2b via the magnetic shield 40.
  • the outer peripheral end of the magnetic shield 40 can be arranged inside the outer peripheral end of the magnetic yoke 30 in a top view as shown in FIG. ..
  • the external magnetic field Me is absorbed by the magnetic shield 40 and the magnetic yoke 30 having high magnetic permeability, and therefore does not affect the detection area.
  • the magnetic sensor 20 and the magnetic shield 40 can be mounted on the base substrate 60. As a result, it is possible to suppress variations in the distance between the magnetic sensor 20 and the magnetic shield 40. That is, when assembling a plurality of magnetic sensor units 100, it is possible to reduce variations in detection accuracy among individual magnetic sensor units 100.
  • the magnetic yoke disclosed in Patent Document 1 is made of a ferromagnetic metal, and can enhance the detection magnetic field. However, since the magnetic yoke is magnetically saturated by the magnetic field of the magnet, the magnetic shield effect cannot be expected.
  • the shield case disclosed in Patent Document 2 suppresses the influence of the magnet on the magnetic field and thus needs to be separated from the detection magnet, resulting in an increase in size of the device.
  • FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of another magnetic sensor unit 200 which is a modified example of the embodiment.
  • the same parts as those of the magnetic sensor unit 100 shown in FIGS. 1 to 12 are designated by the same reference numerals to simplify the description.
  • the magnetic sensor unit 200 includes a magnetic shield 70 instead of the magnetic shield 40 of the magnetic sensor unit 100, and the other structure of the magnetic shield 70 is the same as that of the magnetic sensor unit 100.
  • the inner diameter of the magnetic shield 70 in the magnetic sensor unit 200 is larger than the outer diameter of the magnetic yoke 30, and the magnetic shield 70 is arranged so as to surround the outer circumference of the magnetic yoke 30 in a top view.
  • the upper end of the magnetic shield 70 is located above the lower end of the magnetic yoke 30. That is, in the magnetic sensor unit 200, the detection area is surrounded by the magnetic shield 70.
  • the portion RL where the width where the magnetic shield 70 and the magnetic yoke 30 face each other is locally narrow forms a labyrinth structure.
  • the labyrinth structure formed by the magnetic shield 70 and the magnetic yoke 30 can prevent dust such as iron powder from entering the detection area from the external space of the magnetic sensor unit 200.
  • the magnetic shield 70 surrounds the magnetic yoke 30 if the distance LR between the inner circumference of the magnetic shield 70 and the outer circumference of the magnetic yoke 30 is large, the dustproof effect is reduced. Further, if the distance LR is small, it becomes difficult to assemble the magnetic sensor unit 200.
  • the height LG of the magnet 10 in the vertical direction D1 satisfy the two conditions of LE ⁇ 1.5>LD>LE ⁇ 1.2 and LG ⁇ 0.5>LF>0, and the dustproof effect is obtained. And it is possible to achieve both ease of assembly.
  • the structure of the magnetic shield 70 also satisfies the LA ⁇ LB+LC relationship described for the magnetic sensor unit 100, and the magnetic saturation of the magnetic shield 70 is suppressed. Further, the magnetic fields of the upper surface 10a and the side surface 10c of the magnet 10 which are in contact with the magnetic yoke 30 are confined inside the magnetic yoke 30 as shown in FIG. Therefore, unless the magnetic shield 70 and the magnetic yoke 30 are in contact with each other, magnetic saturation of the magnetic shield 70 is suppressed.
  • terms indicating directions such as “upper surface”, “lower surface”, “vertical direction”, and “top view” are determined only by a relative positional relationship of steel members referred to by a magnetic sensor unit such as a magnet or a magnetic sensor. It indicates a relative direction, not an absolute direction such as a vertical direction.
  • the magnetic sensor unit according to the present disclosure has a magnetic shield property and is small in size, and is particularly effective for a magnetic sensor unit for in-vehicle use.

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Abstract

磁気センサユニットは、磁石と、磁石の下面と対向するように配置される磁気センサと、磁気センサの上下方向と交差する側方向において磁気センサを囲むように配置された磁気シールドと、磁石の上面と側面とを覆う磁気ヨークとを備える。磁石は、上下方向に着磁された第１の着磁領域と、第１の着磁領域と逆方向に着磁された第２の着磁領域とを有する。第１と第２の着磁領域は磁石の下面に第１と第２の磁極をそれぞれ形成する。第１の磁極の中心から第２の磁極の中心までの距離ＬＡと、第１の磁極の中心から磁気シールドまでの距離ＬＢと、第２の磁極の中心から磁気シールドまでの距離ＬＣとは、ＬＡ＜ＬＢ＋ＬＣの関係を満たしている。この磁気センサユニットは、磁気シールド性を有してかつ小型である。

Description

磁気センサユニット
　本開示は、回転軸の回転角を検出するための磁気センサユニットに関する。
　回転軸の回転角を検出する磁気センサユニットは、外部磁界の影響を抑制するために磁気シールドを備える。例えば、特許文献１には、磁石に磁気ヨークを配置し、磁束密度増加と磁気シールド効果を得る構造が開示されている。特許文献２には、磁石や磁気センサを覆うシールドケースを設けた構成が開示されている。
特開２００７－２６３５８５号公報 特開平２－９９８２３号公報
　磁気センサユニットは、磁石と、磁石の下面と対向するように配置される磁気センサと、磁気センサの上下方向と交差する側方向において磁気センサを囲むように配置された磁気シールドと、磁石の上面と側面とを覆う磁気ヨークとを備える。磁石は、上下方向に着磁された第１の着磁領域と、第１の着磁領域と逆方向に着磁された第２の着磁領域とを有する。第１と第２の着磁領域は磁石の下面に第１と第２の磁極をそれぞれ形成する。第１の磁極の中心から第２の磁極の中心までの距離ＬＡと、第１の磁極の中心から磁気シールドまでの距離ＬＢと、第２の磁極の中心から磁気シールドまでの距離ＬＣとは、ＬＡ＜ＬＢ＋ＬＣの関係を満たしている。
　この磁気センサユニットは、磁気シールド性を有してかつ小型である。
図１は実施の形態における磁気センサユニットの模式断面図である。 図２は実施の形態における磁気センサユニットの磁気センサの断面図である。 図３は図２に示す磁気センサの回路ブロックのブロック図である。 図４は図２に示す磁気センサの制御回路における信号処理動作を示す図である。 図５は各種磁気センサの磁界強度と角度精度の関係を示す図である。 図６は実施の形態における磁気センサユニットの磁石の下面図である。 図７は図６に示す磁石の線ＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面図である。 図８は実施の形態における磁石の磁界分布を示す図である。 図９は実施の形態における磁石の下面の磁気密度分布を示す図である。 図１０は実施の形態における磁石の着磁方法を示す図である。 図１１は実施の形態におけるヨークが装着された磁石の磁界分布を示す図である。 図１２は図１に示す磁気センサユニットの拡大断面図である。 図１３は実施の形態における他の磁気センサユニットの拡大断面図である。
　以下では、本開示の実施の形態にかかる磁気センサユニットについて図を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される形状、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
　図１は実施の形態における磁気センサユニットの断面図である。磁気センサユニット１００は、磁石１０と磁気センサ２０と磁気ヨーク３０と磁気シールド４０を有している。磁石１０は、上下方向Ｄ１に延びる回転軸線１ａに沿って延びる回転軸１の先端に接続されており、回転軸１と一緒に回転する。磁気センサ２０は、磁石１０と磁気センサ２０の間の領域である検出領域における磁石１０がつくる磁界である検出磁界の方向を検出する。磁気シールド４０は、磁気センサユニット１００の外部から働く外部磁界を遮蔽して、磁気シールド４０を透過させず磁気センサ２０に達することを防ぐ。磁気ヨーク３０は、磁石１０における磁気センサ２０に印加される磁束密度を増加させる。
　図２は磁気センサ２０の断面図である。磁気センサ２０は、磁気抵抗素子２１と回路素子２２を有する。図２においては、磁気センサ２０の具体的な構造として、磁気抵抗素子２１と回路素子２２は、樹脂成形体２３の内部に配置され一体化された構造を一例として示している。回路素子２２はダイパッド２４の上に実装されている。磁気抵抗素子２１は回路素子２２の上に実装されている。磁気抵抗素子２１と回路素子２２はボンディングワイヤ２５で電気的に接続されている。回路素子２２はリード２６とボンディングワイヤ２５で接続されている。
　図３は、磁気センサ２０の回路ブロックのブロック図である。図４は、回路ブロックにおける信号処理動作を示す図である。磁気抵抗素子２１は、磁気抵抗ＭＲ１～ＭＲ８を含むブリッジ回路ＢＲ１とブリッジ回路ＢＲ２を有している。磁気抵抗ＭＲ１～ＭＲ８は印加された磁界に応じて変化する電気抵抗を有する。ブリッジ回路ＢＲ１、ＢＲ２はホイートストンブリッジ回路である。ブリッジ回路ＢＲ１は、接続点Ｎ１３で互いに直列に接続された磁気抵抗ＭＲ１，ＭＲ２よりなる直列体ＢＲ１ａと、接続点Ｎ１４で互いに直列に接続された磁気抵抗ＭＲ３，ＭＲ４よりなる直列体ＢＲ１ｂとを有している。直列体ＢＲ１ａ、ＢＲ１ｂは接続点Ｎ１１、Ｎ１２の間で接続点Ｎ１１、Ｎ１２に互いに並列に接続されている。ブリッジ回路ＢＲ２は、接続点Ｎ２３で互いに直列に接続された磁気抵抗ＭＲ５，ＭＲ６よりなる直列体ＢＲ２ａと、接続点Ｎ２４で互いに直列に接続された磁気抵抗ＭＲ７，ＭＲ８よりなる直列体ＢＲ２ｂとを有している。直列体ＢＲ２ａ、ＢＲ２ｂは接続点Ｎ２１、Ｎ２２の間で接続点Ｎ２１、Ｎ２２に互いに並列に接続されている。接続点Ｎ１１、Ｎ２１は基準電位Ｖｃに接続され、接続点Ｎ１２、Ｎ２２はグランド（ＧＮＤ）に接続されている。なお、磁気抵抗ＭＲ１～ＭＲ８は異方性磁気抵抗で形成されている。異方性磁気抵抗は、鉄－ニッケル合金を含む磁気抵抗効果を有する金属パターンで構成することができる。異方性磁気抵抗は、検出磁界の向き及び大きさの変化に応じて電気抵抗が変化する。回路素子２２は、ブリッジ回路ＢＲ１の接続点Ｎ１３、Ｎ１４の電位と、ブリッジ回路ＢＲ２の接続点Ｎ２３、Ｎ２４の電位とを検出する。
　磁気センサ２０では、ブリッジ回路ＢＲ１の代わりに、直列体ＢＲ１ａと直列体ＢＲ１ｂのいずれか一方のみを用いてもよい。ブリッジ回路ＢＲ２の代わりに、直列体ＢＲ２ａと直列体ＢＲ２ｂのいずれか一方のみを用いてもよい。例えば、磁気センサ２０が直列体ＢＲ１ｂ、ＢＲ２ｂを有しておらず、直列体ＢＲ１ａ、ＢＲ２ａを有している場合には、回路素子２２は、接続点Ｎ１３、Ｎ２３の電位を検出する。
　異方性磁気抵抗を用いた磁気センサは、他の素子を用いた磁気センサに比べて磁界強度が大きい領域まで検出が可能である。且つ、磁界強度が大きくなるに従い出力波形の歪が除去され、検出される電気信号が理想値に近付くという特性を有する。このため、磁界強度が比較的大きい領域で、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）を用いた磁気センサは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）を用いた磁気センサやトンネル効果型磁気抵抗（ＴＭＲ）を用いた磁気センサやホール素子（Ｈａｌｌ素子）を用いた磁気センサより高い角度検出精度を有する。
　図５に異なる種類の素子を用いた磁気センサに印加される磁界の強度と検出された角度の精度との関係を示す。図５に示すように、ＡＭＲを用いた磁気センサは、磁界強度が大きくなるにつれて検出する角度精度が高くなる。ＧＭＲを用いた磁気センサは、磁界強度が８０ｍＴ以上において検出する角度精度が低くなる。これはＧＭＲが有するｐｉｎ層が理想的に作用する磁界強度領域が６０～８０ｍＴであるために生じる課題である。ＴＭＲを用いた磁気センサは、磁界強度が８０ｍＴ以上において検出する角度精度が低くなる。これもＴＭＲ素子が有するｐｉｎ層が理想的に作用する磁界強度領域が３０～５０ｍＴであるために生じる課題である。Ｈａｌｌ素子を用いた磁気センサは、検出出力が小さいため多段の増幅処理が必要となる。このため検出磁界の変動に対して測定角度のばらつきが大きくなるという課題がある。したがって、異方性磁気抵抗を用いた磁気センサは、検出磁界を大きく設定することができるので、外乱磁界の影響は相対的に小さくなる。この結果、磁気センサはＳ／Ｎが大きい高精度な検出ができる。
　ブリッジ回路ＢＲ１は、磁気抵抗ＭＲ１と磁気抵抗ＭＲ２の直列体と、磁気抵抗ＭＲ３と磁気抵抗ＭＲ４の直列体とが、基準電位ＶｃとグランドＧＮＤの間に並列に接続されている。磁気抵抗ＭＲ１、ＭＲ２の間から中間電位すなわち接続点Ｎ１３の電位が検出信号ｓｉｎ＋として出力される。磁気抵抗ＭＲ３、ＭＲ４の間から中間電位すなわち接続点Ｎ１４の電位が検出信号ｓｉｎ－として出力される。
　ブリッジ回路ＢＲ２は、磁気抵抗ＭＲ５と磁気抵抗ＭＲ６の直列体と、磁気抵抗ＭＲ７と磁気抵抗ＭＲ８の直列体とが、基準電位ＶｃとグランドＧＮＤの間に並列に接続されている。磁気抵抗ＭＲ５、ＭＲ６の間から中間電位すなわち接続点Ｎ２３の電位が検出信号ｃｏｓ＋として出力される。磁気抵抗ＭＲ７、ＭＲ８の間から中間電位すなわち接続点Ｎ２４の電位が検出信号ｃｏｓ－として出力される。
　なお、ブリッジ回路ＢＲ１とブリッジ回路ＢＲ２とは、検出磁界の回転に対して検出信号ｃｏｓ＋の位相が検出信号ｓｉｎ＋から９０°ずれ、検出信号ｃｏｓ－の位相が検出信号ｓｉｎ－から９０°ずれるように配置されている。
　回路素子２２は、差動アンプ２７ａ，２７ｂと演算処理部２８を有している。なお、回路素子２８の説明においては、本開示の説明上必要となる最小構成についてのみ説明するものであり、この構成に限定されない。
　ブリッジ回路ＢＲ１から出力された信号ｓｉｎ＋と信号ｓｉｎ－は、差動アンプ２７ａに入力される。差動アンプ２７ａは、入力された信号ｓｉｎ＋と信号ｓｉｎ－から増幅信号ｓｉｎを生成して出力する。実施の形態では、差動アンプ２７ａは、信号ｓｉｎ＋から信号ｓｉｎ－を引いて得られた差を増幅信号ｓｉｎとして生成する。
　ブリッジ回路ＢＲ２から出力された信号ｃｏｓ＋と信号ｃｏｓ－は、差動アンプ２７ｂに入力される。差動アンプ２７ｂは、入力された信号ｃｏｓ＋と信号ｃｏｓ－から増幅信号ｃｏｓを生成して出力する。実施の形態では、差動アンプ２７ｂは、信号ｃｏｓ＋から信号ｃｏｓ－を引いて得られた差を増幅信号ｃｏｓとして生成する。
　差動アンプ２７ａから出力された信号ｓｉｎと差動アンプ２７ｂから出力された信号ｃｏｓは、演算処理部２８に入力される。演算処理部２８は、入力された信号ｓｉｎと信号ｃｏｓに対してａｒｃｔａｎ演算を行う。演算処理部２８は、ａｒｃｔａｎ演算処理された信号ａｒｃｔａｎを出力する。実施の形態では、演算処理部２８は、信号ｃｏｓを信号ｓｉｎで除して得られた商を信号ａｒｃｔａｎとして出力する。磁気センサ２０は回路素子２２から信号ａｒｃｔａｎが出力される。信号ａｒｃｔａｎは磁石１０の回転角を含む回転情報を有する。
　図６は磁石１０の下面図である。図７は図６に示す磁石１０の線ＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面図である。磁石１０は、円形状の上面１０ａと下面１０ｂとを有する円板形状の永久磁石で構成されている。磁石１０は、上面１０ａと下面１０ｂとに繋がりかつ上面１０ａと下面１０ｂとを全体的に囲む側面１０ｃを有する。磁石１０は、互いに繋がっている着磁領域１１と着磁領域１２とを有している。着磁領域１１は、上面視において磁石１０を２分割した一方の半円部分である。着磁領域１２は、上面視において磁石１０における他方の半円部分である。着磁領域１１、１２は上下方向Ｄ１に直交する並設方向Ｄ２ａに並んでいる。
　着磁領域１１は、上下方向Ｄ１のうちの下方向Ｄ１２の磁化方向１１ｄに着磁されている。着磁領域１１の上側の領域１１ａがＳ極であり、着磁領域１１の下側の領域１１ｂがＮ極である。
　着磁領域１２は、上下方向Ｄ１のうちの上方向Ｄ１１の磁化方向１２ｄに着磁されている。着磁領域１２の磁化方向１２ｄは、着磁領域１１の磁化方向１１ｄと逆向きである。着磁領域１２の下側の領域１２ｂがＳ極であり、着磁領域１２の上側の領域１２ａがＮ極である。なお、図中において各領域を破線で区分しているが、領域は磁極の分布により区分される。図７に示すように、着磁領域１１は磁石１０の下面１０ｂにＮ極である磁極Ｐ１ｂを形成し、着磁領域１２は磁石１０の下面１０ｂに磁極Ｐ１ｂの反対の極性であるＳ極である磁極Ｐ２ｂを形成する。同様に、着磁領域１１は磁石１０の上面１０ａにＳ極である磁極Ｐ１ａを形成し、着磁領域１２は磁石１０の上面１０ａに磁極Ｐ１ａの反対の極性であるＮ極である磁極Ｐ２ａを形成する。
　図８に磁石１０の磁界分布を示す。磁石１０の図中上面側の磁力線Ｍａは、着磁領域１２における領域１２ａの磁極Ｐ２ａから着磁領域１１における領域１１ａの磁極Ｐ１ａに向かう。磁石１０の図中下面側の磁力線Ｍｂは、着磁領域１１における領域１１ｂの磁極Ｐ１ｂから着磁領域１２における領域１２ｂの磁極Ｐ２ｂに向かう。磁石１０の図中左側の磁力線Ｍｃ１は、着磁領域１１における領域１１ｂから領域１１ａに向かう。磁石１０の図中右側の磁力線Ｍｃ２は、着磁領域１２における領域１２ａから領域１２ｂに向かう。このように、磁石１０の磁界分布は側方への拡がりが小さい。
　図９に磁石１０の下面１０ｂにおける磁気密度分布を示す。図９に示すように、着磁領域１１の磁極Ｐ１ｂの中心１１ｃは、着磁領域１１の磁極Ｐ１ｂにおける磁気密度が最も大きい部分である。着磁領域１２の磁極Ｐ２ｂの中心１２ｃは、着磁領域１２の磁極Ｐ２ｂにおける磁気密度が最も大きい部分である。磁極Ｐ１ｂの中心１１ｃは、着磁領域１１、１２が並ぶ並設方向Ｄ２ａにおける磁石１０の下面１０ｂの中心から下面１０ｂの半径Ｒｒの１／２の距離に位置すると見做すことができる。磁気の中心１２ｃは、並設方向Ｄ２ａにおける下面１０ｂの中心から半径Ｒｒの１／２の距離に位置すると見做すことができる。
　図１０に磁石１０の着磁方法の一例を模式図で示す。フェライトなどの磁性材料を円板状に構成した磁性体１０ｘを着磁することにより磁石１０を磁化させることができる。着磁装置５０は、着磁部５１と着磁部５２を備えている。図中左側の着磁部５１は、磁性体１０ｘの左側半分に下向きの磁界５１ａを印加することができる。図中右側の着磁部５２は、磁性体１０ｘの右側半分に対して上向きの磁界５２ａを印加することができる。着磁装置５０を用いて磁性体１０ｘを着磁することで、図７に示す極性を有する磁石１０を形成することができる。
　図１１は磁気ヨーク３０が装着された磁石１０の磁界分布を示す。磁気ヨーク３０は、純鉄などの強磁性体で構成されている。磁気ヨーク３０は、磁石１０の上面１０ａと側面１０ｃに当接するように上面１０ａと側面１０ｃの全体を覆うように配置されている。つまり、磁石１０の磁気センサ２０と対向する下面１０ｂを除く磁石１０の外表面を覆う。磁石１０を磁気ヨーク３０で覆うことで、覆われた部分の磁界が磁気ヨーク３０の内部を通過するようになり、磁界の拡がりが抑制される。さらに、磁石１０が露出した下面１０ｂにおいては、検出磁界Ｍｄの磁束密度が大きくなる。例えば、磁気ヨーク３０が装着された磁石１０と、磁気ヨーク３０が装着されていない磁石１０と、磁気ヨーク３０が装着されていない２極磁石における検出領域での磁界強度を比較した。磁石から３ｍｍ離れた検出領域では、磁気ヨーク３０が装着された磁石１０の磁界強度は１２０ｍＴ程度を示す。磁気ヨーク３０が装着されていない磁石１０の磁界強度は９０ｍＴ程度を示す。磁気ヨーク３０が装着されていない２極磁石の磁界強度は４０ｍＴ程度を示す。このことからも、本開示における磁気ヨーク３０が装着された磁石１０により、磁気センサ２０に大きな検出磁界Ｍｄを印加することができる。
　磁気センサ２０に印加される検出磁界Ｍｄの磁界強度が大きくなることで、外乱磁界の影響が相対的に小さくなる。この結果、磁気センサ２０は、Ｓ／Ｎが大きい高精度な検出ができる。ただし、検出磁界Ｍｄが大きくなることで磁気センサ２０には異方性磁気抵抗を用いることが好ましい。
　磁気シールド４０は、純鉄などの強磁性体で構成されている。磁気シールド４０は、磁気センサ２０の上下方向Ｄ１に直角に交差する側方向Ｄ２において磁気センサ２０を囲むように配置されている。磁気シールド４０は、上面視において磁気センサ２０を囲むリング形状を有する。図１２は磁気センサユニット１００の拡大断面図である。着磁領域１１の磁極Ｐ１ｂの中心１１ｃは着磁領域１２の磁極Ｐ２ｂの中心１２ｃから距離ＬＡだけ離れている。着磁領域１１の磁極Ｐ１ｂの中心１１ｃは磁気シールド４０から距離ＬＢだけ離れている。着磁領域１２の磁極Ｐ２ｂの中心１２ｃは磁気シールド４０から距離ＬＣだけ離れている。磁気センサユニット１００においては、距離ＬＡ、ＬＢ、ＬＣはＬＡ＜ＬＢ＋ＬＣの関係を満たしている。磁石１０と磁気シールド４０の位置関係が、この関係を満たすことにより、磁気シールド４０を小型にすることができる。
　すなわち、磁気センサユニット１００における検出磁界Ｍｄは、図１１に示すように磁極の中心１１ｃから磁極の中心１２ｃに向かう。検出磁界Ｍｄが形成される検出領域は、空気中に形成されるため、検出領域の透磁率は１となる。一方、磁気シールド４０は強磁性体で形成されておりその透磁率は１０００を超える。このため磁気シールド４０が有する磁気抵抗の影響は無視することができる。したがって、磁極Ｐ１ｂの中心１１ｃから磁極Ｐ２ｂの中心１２ｃに至る空気中の磁気抵抗が、磁極Ｐ１ｂの中心１１ｃから磁気シールド４０を介して磁極Ｐ２ｂの中心１２ｃに至る磁気抵抗より小さくなる。これにより、磁石１０により形成される磁界による磁気シールド４０の磁気飽和が抑制されるので、磁気シールド４０の径方向における小型化ができる。具体的には、上述したＬＡ＜ＬＢ＋ＬＣの関係を満たしていることで、図１に示すように上面視において磁気シールド４０の外周端を、磁気ヨーク３０の外周端より内側に配置することができる。
　なお、磁気シールド４０と磁石１０との間に隙間があるが、外部磁界Ｍｅは透磁率が大きい磁気シールド４０や磁気ヨーク３０に吸収されるため、検出領域に影響を与えない。
　また、このように磁気シールド４０を小型化したことにより、磁気センサ２０と磁気シールド４０はベース基板６０に実装することが可能となる。これにより、磁気センサ２０と磁気シールド４０の間隔のバラツキを抑制することできる。つまり、複数の磁気センサユニット１００の組み立てにおいて、個々の磁気センサユニット１００における検出精度のバラツキを小さくすることができる。
　特許文献１に開示された磁気ヨークは、強磁性体の金属からなり検出磁界の増強効果は得ることができる。ただし、磁気ヨークは、磁石の磁界により磁気飽和するため磁気シールド効果が望めない。特許文献２に開示されたシールドケースは、磁石の磁界への影響を抑制するため、検出磁石から離間する必要があり装置が大型化してしまう。
　次に磁気センサユニット１００の変形例について説明する。
　（変形例）
　図１３は、実施の形態における変形例である他の磁気センサユニット２００の拡大断面図である。図１３において、図１から図１２に示す磁気センサユニット１００と同自部分には同じ参照符号を付して説明を簡略化する。また、磁気センサユニット２００は、磁気センサユニット１００の磁気シールド４０の代わりに磁気シールド７０を備え、磁気シールド７０の他の構造については磁気センサユニット１００と同じである。
　磁気センサユニット２００における磁気シールド７０の内径は磁気ヨーク３０の外径よりも大きく、上面視において磁気シールド７０が磁気ヨーク３０の外周を囲むように配置されている。また、磁気シールド７０の上端が磁気ヨーク３０の下端より上方に位置するように構成されている。つまり、磁気センサユニット２００では、検出領域が磁気シールド７０で囲まれている。なお、磁気シールド７０と磁気ヨーク３０が対向する幅が局部的に狭い部分ＲＬはラビリンス構造を形成する。磁気シールド７０と磁気ヨーク３０で形成するラビリンス構造により、磁気センサユニット２００の外部空間から鉄粉などの塵埃が検出領域に侵入することを防止することができる。
　なお、磁気シールド７０で磁気ヨーク３０を囲む構造では、磁気シールド７０の内周と磁気ヨーク３０の外周との間隔ＬＲが大きいと、防塵効果が小さくなる。また、間隔ＬＲが小さいと、磁気センサユニット２００の組み立てが困難となる。なお、これらの条件を具現化するには、磁気シールド７０の内径ＬＤと、磁気ヨーク３０の外径ＬＥと、上下方向Ｄ１での磁気ヨーク３０の下端から磁気シールド７０の上端までの高低差ＬＦと、上下方向Ｄ１での磁石１０の高さＬＧとは、ＬＥ×１．５＞ＬＤ＞ＬＥ×１．２とＬＧ×０．５＞ＬＦ＞０の２つの条件を満たすことで、防塵効果と組み立て易さを両立させることができる。
　なお、磁気シールド７０の構造においても、磁気センサユニット１００で説明したＬＡ＜ＬＢ＋ＬＣ関係を満たしており磁気シールド７０の磁気飽和は抑制されている。また、磁気ヨーク３０と接している磁石１０の上面１０ａと側面１０ｃの磁界は、図１１に示すように磁気ヨーク３０の内部に閉じ込められる。したがって、磁気シールド７０と磁気ヨーク３０が接触しない限り、磁気シールド７０の磁気飽和は抑制される。
　実施の形態において、「上面」「下面」「上下方向」「上面視」等の方向を示す用語は、磁石や磁気センサ等の磁気センサユニットの言う鋼製部材の相対的な位置関係でのみ決まる相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。
　本開示における磁気センサユニットは磁気シールド性を有してかつ小型であり、特に車載用途の磁気センサユニットにおいて有効である。
１　　回転軸
１ａ　　回転軸線
１０　　磁石
１１，１２　　着磁領域
２０　　磁気センサ
３０　　磁気ヨーク
４０，７０　　磁気シールド
６０　　ベース基板
１００，２００　　磁気センサユニット
Ｐ１ａ，Ｐ１ｂ，Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ　　磁極
ＭＲ１～ＭＲ８　　磁気抵抗
ＢＲ１，ＢＲ２　　ブリッジ回路
ＢＲ１ａ，ＢＲ１ｂ，ＢＲ２ａ，ＢＲ２ｂ　　直列体

Claims (8)

  1. 上面と、下面と、前記上面と前記下面とに繋がる側面とを有する磁石と、
    前記磁石の前記下面と対向するように配置される磁気センサと、
    前記磁気センサの上下方向と交差する側方向において前記磁気センサを囲むように配置された磁気シールドと、
    前記磁石の前記上面と前記側面とを覆う磁気ヨークと、
    を備え、
    前記磁気センサは、前記磁石で発生する検出磁界が印加される異方性磁気抵抗を含み、
    前記磁石は、
    　　　前記上下方向に着磁されており、前記磁石の前記下面に第１の磁極を形成する第１の着磁領域と、
    　　　前記第１の着磁領域と逆方向に着磁されており、前記磁石の前記下面に第２の磁極を形成する第２の着磁領域と、
    を有し、
    前記第１の磁極の中心から前記第２の磁極の中心までの距離ＬＡと、前記第１の磁極の前記中心から前記磁気シールドまでの距離ＬＢと、前記第２の磁極の前記中心から前記磁気シールドまでの距離ＬＣとは、ＬＡ＜ＬＢ＋ＬＣの関係を満たしている、磁気センサユニット。
  2. 上面視において、前記磁気シールドの外周端は前記磁気ヨークの外周端より内側に配置されている、請求項１に記載の磁気センサユニット。
  3. 上面視において、前記磁気シールドの外周端は前記磁気ヨークの外周端より外側に配置されており、
    前記磁気シールドの上端は前記ヨークの下端より上方に位置している、請求項１に記載の磁気センサユニット。
  4. 前記磁気シールドの内径ＬＤと、前記磁気ヨークの外径ＬＥと、前記上下方向での前記ヨークの下端から前記シールドの上端までの高低差ＬＦと、磁石の高さＬＧとは、ＬＥ×１．５＞ＬＤ＞ＬＥ×１．２、かつＬＧ×０．５＞ＬＦ＞０の関係を満たしている、請求項３に記載の磁気センサユニット。
  5. 前記磁気センサと前記磁気シールドとに接続されているベース基板をさらに備えた、請求項１から４のいずれか一つに記載の磁気センサユニット。
  6. 前記磁石は前記上下方向に延びる回転軸線を中心に回転する、請求項１から５のいずれか一つに記載の磁気センサユニット。
  7. 前記磁気ヨークは前記磁石の前記上面と前記側面とに当接する、請求項１から６のいずれか一つに記載の磁気センサユニット。
  8. 前記磁石は回転軸の先端に接続されている、請求項１から７のいずれか一つに記載の磁気センサユニット。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003214896A (ja) * 2002-01-21 2003-07-30 Asahi Kasei Corp 回転角度センサ
JP2007263585A (ja) * 2006-03-27 2007-10-11 Denso Corp 回転角度検出装置
US20080164867A1 (en) * 2007-01-08 2008-07-10 Klaus Manfred Steinich Angle sensor
WO2011001984A1 (ja) * 2009-06-30 2011-01-06 株式会社トーメンエレクトロニクス 回転角度検出装置
US20110080162A1 (en) * 2009-10-06 2011-04-07 Asm Automation Sensorik Messtechnik Gmbh Assembly for detecting more than one rotation through a position encoder magnet
JP2012013669A (ja) * 2010-06-02 2012-01-19 Denso Corp 回転角度検出装置
WO2013145644A1 (ja) * 2012-03-29 2013-10-03 株式会社デンソー 回転角検出装置
JP2018503840A (ja) * 2015-01-28 2018-02-08 フラバ ベスローテン ヴェンノーツハップＦｒａｂａ Ｂ．Ｖ． 磁石式角変位計測システム

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003214896A (ja) * 2002-01-21 2003-07-30 Asahi Kasei Corp 回転角度センサ
JP2007263585A (ja) * 2006-03-27 2007-10-11 Denso Corp 回転角度検出装置
US20080164867A1 (en) * 2007-01-08 2008-07-10 Klaus Manfred Steinich Angle sensor
WO2011001984A1 (ja) * 2009-06-30 2011-01-06 株式会社トーメンエレクトロニクス 回転角度検出装置
US20110080162A1 (en) * 2009-10-06 2011-04-07 Asm Automation Sensorik Messtechnik Gmbh Assembly for detecting more than one rotation through a position encoder magnet
JP2012013669A (ja) * 2010-06-02 2012-01-19 Denso Corp 回転角度検出装置
WO2013145644A1 (ja) * 2012-03-29 2013-10-03 株式会社デンソー 回転角検出装置
JP2018503840A (ja) * 2015-01-28 2018-02-08 フラバ ベスローテン ヴェンノーツハップＦｒａｂａ Ｂ．Ｖ． 磁石式角変位計測システム

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