JP5131537B2 - 角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｎ極性を有するＮ極領域とＳ極性を有するＳ極領域とを回転中心の周りに交互に配置した回転部材と、回転部材の周囲に発生する磁場を検出する一対の検出素子を有する磁場検出部と、前記磁場検出部の検出情報に基づいて前記回転部材の回転角度を求める演算手段とを設けた角度検出装置に関する。

上記のような角度検出装置は、例えば、自動車の操舵角センサや変速機のシフト位置センサ等として用いられている。
このような角度検出装置では、磁場検出部が、回転部材の周囲に発生する磁場について二方向の磁場成分の大きさを検出している。当該二方向は、回転部材の径方向とそれに直交するＮ極領域とＳ極領域との並び方向としている。演算手段は、磁場検出部にて検出した二方向の磁場成分の大きさの比から、回転部材の回転角度を求めている。（例えば、特許文献１参照。）。

磁場検出部は、例えば図２に示すようなホールＩＣである。
磁場検出部３は、磁性プレート８と回転部材の周囲に発生する磁場を検出する一対の検出素子９とを有する。磁性プレート８は、円板状に形成している。一対の検出素子（ホール素子）９は、磁性プレート８の端部の直下に配置している。一対の検出素子９は、Ｘ方向に沿って配置した一組９ａ，９ｂとＹ方向に沿って配置した一組９ｃ，９ｄとの二組設けている。

従来の角度検出装置では、例えば図１９に示すように、回転軸１に外嵌した回転部材２が、Ｎ極領域５とＳ極領域６との夫々を径方向の外方に面するように配置している。磁場検出部３は、Ｎ極領域５とＳ極領域６との夫々と対向する回転部材２の径方向外方の基板７上に配置している。磁場検出部３は、回転部材２の径方向に対して磁性プレート８を平行に面するように配置して、回転部材２の径方向とＮ極領域５とＳ極領域６との並び方向との二方向の磁場成分の大きさを検出している。

磁場検出部３の検出原理について、図３及び図１９に基づいて説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、図２のＸ方向に向う方向視での断面図であり磁束の状態を示している。
この例では、回転部材２の径方向をＹ方向とし、Ｎ極領域５とＳ極領域６との並び方向をＸ方向とし、さらに両者に垂直な方向をＺ方向としている。

図３（ｂ）に示すように、Ｙ方向に外部磁場が印加されると、磁性プレート８により磁束が曲げられて、Ｙ方向に沿って配置した一対の検出素子９ｃ，９ｄには、磁性プレート８に垂直なＺ方向の磁場成分が発生する。このとき、Ｚ方向の磁場成分の大きさは、外部磁場の大きさに比例したものとなり、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が逆方向となる。したがって、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧の差分を算出することにより、Ｙ方向の外部磁場の大きさに比例した磁場成分を検出できる。
一方、Ｘ方向に外部磁場が印加されたときも、Ｙ方向に外部磁場が印加されたときと同様に、磁性プレート８に垂直なＺ方向の磁場成分が発生する。したがって、磁場検出部３は、Ｘ方向に沿って配置した一対の検出素子９ａ，９ｂの出力電圧の差分を算出することにより、Ｘ方向の磁場成分の大きさを検出できる。

外乱磁場が存在する場合には、以下のようにして外乱磁場を除去することができる。図３（ａ）に示すように、Ｚ方向に外乱磁場が印加されたときには、Ｙ方向に沿って配置した一対の検出素子９ｃ，９ｄには、磁性プレート８に垂直なＺ方向の磁場成分が発生する。このときには、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が同じ方向となる。したがって、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧の差分を算出することにより、Ｚ方向に印加された外乱磁場を０（ゼロ）とすることができる。

特開２００７−４０８５０号公報

上記従来の角度検出装置では、図１９に示すように、回転部材２の径方向において、Ｎ極領域５及びＳ極領域６の表面から磁場検出部３までの距離Ｒが長くなっている。したがって、磁場検出部３に印加する磁場強度を所望の磁場強度とするためには、Ｎ極領域５及びＳ極領域６を磁力の高い希土類磁石等により形成しなければならず、コストアップとなっていた。
一方、Ｎ極領域５及びＳ極領域６の表面から磁場検出部３までの距離Ｒを短くすると、磁場検出部に印加する磁場強度が大きくなり過ぎる虞がある。磁場検出部に印加する磁場強度が大きくなり過ぎると、磁性プレートでの磁束が過密になり磁気的な飽和状態となる。磁性プレートが磁気的な飽和状態となると、磁性プレートの垂直方向に外部磁場に比例した強度の磁場が発生しない。したがって、Ｎ極領域５及びＳ極領域６の表面から磁場検出部３までの距離Ｒを短くすると、磁場検出部にて二方向の磁場成分の大きさを検出できなくなる虞がある。

図１９に示すような従来の角度検出装置では、磁場検出部３に印加される磁場強度は一定ではなく、図２０に示すように、回転部材２の回転角度によって変動する。図２０は、回転部材２の回転角度を変化させたときの磁場検出部３に印加される磁場強度を示している。図１９に示す状態のときを回転部材２の回転角度を０（ゼロ）ｄｅｇとしている。また、磁場検出部の寸法や特性のバラツキ等によっても磁場検出部に印加される磁場強度が変動する。
磁場検出部を動作させるのに望ましい磁場強度範囲（例えば、２０〜７０ｍＴ）が規定されている。上限の磁場強度が規定されているため、磁場検出部の動作磁場をその上限の磁場強度よりも大きくできない。また、上述の如く、磁場検出部に印加される磁場強度が変動するので、磁場検出部の動作磁場が小さくなってしまうときがある。したがって、外乱磁場の影響を受け易くなり、角度検出装置の検出精度が低下する虞がある。そのために、磁気シールドを設ける等の対処が必要となり、角度検出装置のコストがアップする。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出精度の向上やコストの低減を図ることができる角度検出装置を提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係る角度検出装置の特徴構成は、Ｎ極性を有するＮ極領域とＳ極性を有するＳ極領域とを回転中心の周りに交互に配置した回転部材と、板状の磁性プレートと当該磁性プレートに垂直な方向における磁場成分の大きさを検出する一対の検出素子とを有する磁場検出部と、前記磁場検出部の検出情報に基づいて前記回転部材の回転角度を求める演算手段とを設け、前記磁場検出部は、前記回転部材の周囲に発生する磁場について最大磁場が得られる第１方向に対して前記磁性プレートを垂直に面するように配置して、当該第１方向と前記Ｎ極領域と前記Ｓ極領域との並び方向に沿う第２方向との二方向の磁場成分の大きさを検出するように構成している点にある。

磁性プレートは板状であるので、外部磁場を印加する方向によって磁化の程度が異なる。通常、垂直に外部磁場を印加する方が平行に外部磁場を印加するよりも磁化し難くなる。したがって、磁性プレートに垂直に外部磁場を印加したときには、磁性プレートに平行に外部磁場を印加したときよりも、磁性プレートが磁気的な飽和状態になり難くなる。
そこで、本構成では、第１方向に対して磁性プレートを垂直に面するように磁場検出部を配置して、磁性プレートが磁気的な飽和状態となるまでの磁場強度を大きくしている。したがって、Ｎ極領域及びＳ極領域の表面から磁場検出部までの距離を短くでき、Ｎ極領域及びＳ極領域を磁力の高い希土類磁石等により形成する必要がなく、コストの低減を図るとともに、小型化を図ることができる。また、磁性プレートが磁気的な飽和状態となるまでの磁場強度を大きくし、磁場検出部を動作させるのに望ましい磁場強度の上限値をより大きく設定できる。したがって、磁場検出部の動作磁場を大きな磁場強度にでき、検出精度の向上やコストの低減を図ることができる。

本発明に係る角度検出装置の別の特徴構成は、前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域は、前記第１方向と前記第２方向とが直交するように配置している点にある。

このような配置とすることにより、磁場検出部を配置するに当り、磁場検出部の姿勢や向きの調整を行い易くなる。したがって、磁場検出部を容易に配置できる。

本発明に係る角度検出装置の別の特徴構成は、前記一対の検出素子は、前記第２方向に沿って配置している点にある。

このような配置とすることにより、一対の検出素子にて第２方向の磁場成分の大きさを直接的に検出でき、第２方向の磁場成分の大きさを精度よく検出できる。

本発明に係る角度検出装置の別の特徴構成は、前記一対の検出素子は、前記第１方向に対する垂直な面において、前記第２方向に沿って配置した一組と前記第２方向に直交する方向に沿って配置した一組との二組設けている点にある。

例えば、第２方向の磁場成分の大きさを検出する一対の検出素子を第２方向に沿って配置した一対の検出素子に割り当て、第１方向の磁場成分の大きさを検出する一対の検出素子を第２方向に直交する方向に沿って配置した一対の検出素子に割り当てることができる。したがって、単に、割り当てた一対の検出素子の夫々が磁場成分の大きさを検出するだけで、二方向の磁場成分の大きさを検出でき、検出構成の簡素化を図ることができる。
また、例えば、第２方向に沿って配置した一対の検出素子における検出値と第２方向に直交する方向に沿って配置した一対の検出素子における検出値との平均値を求める等により、第１方向又は第２方向の磁場成分の大きさを検出することもできる。このように、二組の一対の検出素子を用いて二方向の磁場成分の大きさを精度よく検出することもできる。

本発明に係る角度検出装置の別の特徴構成は、前記回転部材は、前記Ｎ極領域と前記Ｓ極領域との夫々を径方向の外方に面するように配置してあり、前記磁場検出部は、前記Ｎ極領域と前記Ｓ極領域との夫々と対向する前記回転部材の径方向外方に配置している点にある。

このような配置とすることにより、磁性プレートを回転部材の回転中心に平行に面するように磁場検出部を配置できる。したがって、磁場検出部を回転部材の径方向に薄型にでき、回転部材の径方向の小型化を図ることができる。しかも、Ｎ極領域及びＳ極領域の表面と磁場検出部との間の間隔を小さくできるので、回転部材の径方向において磁場検出部を回転部材により近づけて配置させることができ、回転部材の径方向の小型化を効果的に図ることができる。

本発明に係る角度検出装置の別の特徴構成は、前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域は、前記第１方向が前記回転中心と平行になるように配置してあり、前記磁場検出部は、前記Ｎ極領域と前記Ｓ極領域との夫々に対して前記回転中心と平行な方向に配置している点にある。

このような配置とすることにより、磁性プレートを回転部材の径方向に平行に面するように磁場検出部を配置できる。したがって、磁場検出部を回転部材の軸心方向に薄型にでき、回転部材の軸心方向の小型化を図ることができる。しかも、Ｎ極領域及びＳ極領域の表面と磁場検出部との間の間隔を小さくできるので、回転部材の軸心方向において磁場検出部を回転部材により近づけて配置させることができ、回転部材の軸心方向の小型化を効果的に図ることができる。

本発明に係る角度検出装置の別の特徴構成は、前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域が、円環状又は円状の極異方性磁石で形成されている点にある。

後述するシミュレーション結果に示すように示すように、回転部材として極異方性磁を用いることにより、回転部材と磁場検出部との径方向の距離が変動した場合に生じる磁場の向きの変動を低減することができる。このため、回転部材として極異方性磁を用いることにより、角度検出装置の組付け誤差の影響による検出結果の変動を低減することができる。また、角度検出装置の使用時に回転軸のふれにより回転部材と磁場検出部との径方向における距離が変動した場合であっても、検出結果の変動を低減することができる。

本発明に係る角度検出装置の別の特徴構成は、前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域が、前記磁場検出部との対向面の表面における磁場強度の分布が正弦波となるように着磁された円環状又は円状の等方性磁石で形成されている点にある。

回転部材として磁場検出部との対向面の表面における磁場強度の分布が正弦波となるように着磁された等方性磁石を用いた場合も極異方性磁石の場合と同様の効果を得ることができる。一般的に、等方性磁石は極異方性磁石に比べて製造コストが安く、回転部材として等方性磁石を用いることにより、製造コストを低減することができる。

本発明に係る角度検出装置の別の特徴構成は、前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域を形成する磁石の径方向の幅が、前記Ｎ極領域の周方向幅の半分の長さ及び前記Ｓ極領域の周方向幅の半分の長さよりも大きく設定されている点にある。

回転部材として、極異方性磁石若しくは、表面の磁束密度が正弦波的に分布するように着磁した等方性磁石を用いる場合、磁力線の形状は、回転部材の外周側面のうちＮ極領域とＳ極領域の境界部を中心としＮ極領域の中心及びＳ極領域の中心を通過する円形状となる。従って、Ｎ極領域及びＳ極領域を形成する磁石の径方向の幅が、Ｎ極領域の周方向幅の半分の長さ及びＳ極領域の周方向幅の半分の長さよりも大きく設定することにより、磁力線が途切れることがなく磁束密度の分布を良好にすることができる。結果、角度検出装置の精度を高めることができる。

本発明に係る角度検出装置の別の特徴構成は、前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域を形成する磁石の外周面に、周方向に延在する溝部が形成した点にある。

後述するシミュレーション結果に示すように、Ｎ極領域及びＳ極領域を形成する磁石の外周面に溝部を形成することにより、回転部材と磁場検出部との相対位置が変化した場合に生じる磁場の向きの変動を低減することができる。このため、磁石に溝部を形成することにより、角度検出装置の組付け誤差の影響による検出結果の変動を低減することができる。また、角度検出装置の使用時に回転軸のふれにより回転部材と磁場検出部との相対位置が変動した場合であっても、検出結果の変動を低減することができる。

本発明に係る角度検出装置の別の特徴構成は、前記回転部材の回転軸方向における前記溝部の形成領域において、前記磁場検出部と前記磁石とが対向する点にある。

回転部材と磁場検出部との相対位置が変化した場合に生じる磁場の向きの変動を低減する効果は、特に溝部の形成領域で顕著となる。したがって、形成領域において磁場検出部と磁石とを対向させることにより、検出結果の変動をより低減することができる。

本発明に係る角度検出装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
この角度検出装置は、図１に示すように、回転軸１に外嵌した回転部材２と、回転部材２の周囲に発生する磁場を検出する磁場検出部３と、磁場検出部３の検出情報に基づいて磁場検出部３に対する回転部材２の回転角度を求める演算手段としての演算部４とを設けている。図１（ａ）は、斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＹ方向に沿う方向視での断面図である。

回転部材２は、回転軸１と一体的に回転するように設けている。回転部材２は、Ｎ極性を有するＮ極領域５とＳ極性を有するＳ極領域６とを回転中心の周りに交互に配置したリング状の磁石にて構成している。回転部材２は、Ｎ極とＳ極との間の間隔を４５度として、Ｎ極領域５とＳ極領域６との夫々を４つずつ設けている。回転部材２としては、極異方性磁石を用いてもよくラジアル異方性磁石を用いても良い。また、表面の磁束密度が概ね正弦波的に分布するように着磁した等方性磁石を用いてもよい。但し、後述するように、極異方性磁石若しくは、表面の磁束密度が概ね正弦波的に分布するように着磁した等方性磁石を用いる方が好ましい。

回転部材２として、極異方性磁石若しくは、表面の磁束密度が概ね正弦波的に分布するように着磁した等方性磁石を用いる場合、磁石の周方向に複数の導線を設けて当該導線に通電することにより着磁が行われる。このため、図８に示すように、磁力線の形状は、回転部材２の外周側面のうちＮ極領域５とＳ極領域６の境界部を中心としＮ極領域５の中心及びＳ極領域６の中心を通過する円形状となる。従って、Ｎ極領域５及びＳ極領域６を形成する磁石の径方向の幅が、Ｎ極領域５の周方向幅の半分の長さ及びＳ極領域６の周方向幅の半分の長さよりも大きく設定すると好適である。このように設定すると、磁力線が途切れることがなく、磁束密度の分布を良好にすることができる。

回転部材２は、Ｎ極領域５とＳ極領域６との夫々を径方向の外方に面するように配置してある。回転部材２の周囲に発生する磁場について最大磁場が得られる第１方向は、回転部材２の径方向（Ｚ方向）となる。Ｚ方向に直交してＮ極領域５とＳ極領域６との並び方向に沿う第２方向は、回転部材２の回転方向（Ｘ方向）となる。このようにして、Ｎ極領域５及びＳ極領域６は、第１方向（Ｚ方向）と第２方向（Ｘ方向）とが直交するように配置している。
第１方向（Ｚ方向）に対する垂直な面において、第２方向に直交する方向を第３方向（Ｙ方向）としている。したがって、第１方向（Ｚ方向）と第２方向（Ｘ方向）と第３方向（Ｙ方向）とは互いに直交する三方向となっている。以下、第１方向をＺ方向と呼称し、第２方向をＸ方向と呼称し、第３方向をＹ方向と呼称する。

磁場検出部３は、例えばホールＩＣであり、具体的には、Ｍｅｌｅｘｉｓ社のＭＬＸ９０３１６であって基板７上に設けている。但し、市販されている標準的なＭＬＸ９０３１６では、一対の検出素子（９ａ，９ｂ及び９ｃ，９ｄ）の出力電圧の差分を算出することによりＸ方向とＹ方向の磁場成分の大きさを検出し、これによりＸＹ平面内の磁場の方向を算出して磁場角度に応じた信号を出力するように内部回路が固定されている。したがって、本実施形態では、例えば、ＭＬＸ９０３１６の内部回路を変更し、所定の信号処理ができるようにしたホールＩＣを用いている。ここで、本実施形態では、磁場検出部３をＮ極領域５とＳ極領域６との夫々と対向する回転部材２の径方向外方に配置している。
磁場検出部３は、図２に示すように、円板状の磁性プレート８と磁性プレート８に垂直な方向における磁場成分の大きさを検出する一対の検出素子９とを有する。検出素子９は、例えばホール素子であり、磁性プレート８の端部の直下に設けている。一対の検出素子９は、Ｚ方向に対して垂直な面において、Ｘ方向に沿って配置した一組９ａ，９ｂとＹ方向に沿って配置した一組９ｃ，９ｄとの二組設けている。

磁場検出部３は、Ｚ方向に対して磁性プレート８を垂直に面するように配置して、Ｚ方向とＸ方向との二方向の磁場成分の大きさを検出するように構成している。
磁場検出部３によるＺ方向の磁場成分の大きさの検出原理について説明する。
図３（ａ）に示すように、Ｚ方向に外部磁場が印加されると、Ｙ方向に沿って配置した一対の検出素子９ｃ，９ｄにＺ方向に沿う磁場成分が発生する。このとき、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が同じ方向となる。したがって、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧を加算することにより、外部磁場の大きさに比例した磁場成分を検出できる。

また、外乱磁場が存在する場合には、以下のようにして外乱磁場を除去することができる。図３（ｂ）に示すように、Ｙ方向に外乱磁場が印加されると、磁性プレート８により磁束が曲げられて、一対の検出素子９ｃ，９ｄにＺ方向に沿う磁場成分が発生する。このとき、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が逆方向となる。したがって、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧を加算することにより、Ｙ方向に印加された外乱磁場を０（ゼロ）とすることができる。

磁場検出部３によるＸ方向の磁場成分の大きさの検出原理については、図３を用いて説明した従来の角度検出装置におけるＸ方向の磁場成分の大きさの検出原理と同様である。したがって、磁場検出部３は、Ｘ方向に沿って配置した一対の検出素子９ａ，９ｂの出力電圧の差分を算出することにより、Ｘ方向の磁場成分の大きさを検出している。

演算部４は、下記〔式１〕を用いて、Ｚ方向の磁場成分の大きさＶｚとＸ方向の磁場成分の大きさＶｘとの比に基づいて、回転部材２の回転角度θを求める。
〔式１〕
θ＝Ａｒｃｔａｎ（Ｖｚ／Ｖｘ）

以下、本発明に係る角度検出装置の効果について説明する。
磁性プレート８は円板状であるので、外部磁場を印加する方向によって磁化の程度は異なる。図４は、外部磁場と磁性プレート８の最大磁化との関係についてシミュレーションで解析した結果を示している。図中◇は、磁性プレート８に平行に外部磁場を印加した場合を示している。図中□は、磁性プレート８に垂直に外部磁場を印加した場合を示している。
図４から、磁性プレート８は垂直に外部磁場を印加する方が平行に外部磁場を印加するよりも磁化し難いことが分かる。シミュレーションの結果、磁性プレート８が磁気的な飽和状態となるときの磁場強度は、垂直に外部磁場を印加する方が平行に外部磁場を印加するよりも約６倍大きい。

磁場検出部３に印加する磁場強度が過大になると、磁性プレート８が磁気的な飽和状態となり、磁性プレート８の垂直方向に外部磁場に比例した強度の磁場を発生できない。図４の結果等から推定すると、Ｚ方向に対して磁性プレート８を垂直に面するように磁場検出部３を配置した場合（図１参照）には、磁場検出部３の最大許容磁場をより大きな磁場強度とすることができると考えられる。

そこで、Ｚ方向に対して磁性プレート８を垂直に面するように磁場検出部３を配置した場合において、図４の結果等を踏まえて、磁場検出部３の最大許容磁場を演算した結果を図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）は、磁場検出部３に印加する印加磁場の角度αを変化させたときの磁場検出部３の最大許容磁場（図中△）を示している。磁場検出部３に印加する印加磁場の角度αを図５（ａ）に示している。印加磁場の角度αが０ｄｅｇのときの最大許容磁場（図中△）は、磁場検出部３を動作させるのに望ましい磁場強度範囲の上限値（７０ｍＴ）となる。このときの印加磁場の角度αを図１に示すもので言えば、磁場検出部３がＮ極領域５とＳ極領域６との中間に対向するように位置した場合（回転部材２の回転角度は例えば±２２．５ｄｅｇ）である。これは、図２０にも示すように磁場強度が最小となる回転角度である。また、印加磁場の角度αが−９０ｄｅｇ及び９０ｄｅｇのときの最大許容磁場（図中△）は、磁場検出部３を動作させるのに望ましい磁場強度範囲の上限値の６倍（４２０ｍＴ）とすることができる。このときの印加磁場の角度αを図１に示すもので言えば、磁場検出部３がＮ極領域５又はＳ極領域６の中央に対向するように位置した場合（回転部材２の回転角度は例えば０ｄｅｇ，±４５ｄｅｇ）である。これは、図２０にも示すように磁場強度が最大となる回転角度である。

このようにして、Ｚ方向に対して磁性プレート８を垂直に面するように磁場検出部３を配置することにより、磁場検出部３に印加する印加磁場の角度が０（ゼロ）ｄｅｇ以外のときに、磁場検出部３の最大許容磁場をより大きな磁場強度とすることができる。

したがって、最大許容磁場（図中△）と磁場検出部３を動作させるのに望ましい磁場強度範囲の下限値（２０ｍＴ）との間に磁場検出部の動作磁場（図中Ａ１）を設定できる。
従来の角度検出装置では、磁場強度範囲（２０〜７０ｍＴ）の間に磁場検出部の動作磁場（図中Ａ２）を設定している。本発明における磁場検出部３の動作磁場（図中Ａ１）は、従来の角度検出装置の約２倍とすることができる。したがって、磁場検出部３の動作磁場を大きな磁場強度にでき、検出精度の向上やコストの低減を図ることができる。また、Ｎ極領域５及びＳ極領域６の表面から磁場検出部３までの距離を短くでき、Ｎ極領域５及びＳ極領域６を磁力の高い希土類磁石等により形成する必要がなく、コストの低減を図るとともに、小型化を図ることができる。

回転部材２の周囲に発生する磁場により磁場検出部３に印加される磁場成分の大きさは、図６に示すように、Ｚ方向（図中◇）とＸ方向（図中□）とで異なっている。図６は、Ｎ極とＳ極との間の間隔を６０度として、Ｎ極領域５とＳ極領域６との夫々を３つずつ設けた回転部材２についてのシミュレーション計算結果を示している。
シミュレーションの結果、Ｚ方向の磁場成分の大きさ（図中◇）とＸ方向の磁場成分の大きさ（図中□）との磁場の強度比は、１．４１（＝Ｚ方向の磁場成分の大きさ／Ｘ方向の磁場成分の大きさ）となる。

一方、磁性プレート８に平行に外部磁場を印加した場合、磁性プレート８の集磁効果が強く働き、検出素子９に対して磁性プレート８の垂直方向に外部磁場の約１．８倍の大きさの磁場が発生する。それに対して、磁性プレート８に垂直に外部磁場を印加した場合、磁性プレート８の集磁効果は小さく、検出素子９に対して磁性プレート８の垂直方向に外部磁場の約１．２倍の大きさの磁場が発生する。このように、磁場検出部３は、外部磁場が印加される方向によって感度が異なる。シミュレーションの結果、磁場検出部３の感度比を求めると、１．４８（磁性プレート８に平行な方向の感度／磁性プレート８に垂直な方向の感度）となる。

そこで、本発明では、図１に示すように、Ｚ方向に対して磁性プレート８を垂直に面するように磁場検出部３を配置して、磁性プレート８に垂直に外部磁場を印加している。したがって、磁場の強度比（１．４１）と磁場検出部３の感度比（１．４８）とをお互いに相殺し合うことができ、角度検出装置としての感度はほぼ１にできる。図７に示すように、本発明に係る角度検出装置は、角度に対する演算部４にて演算した演算値θの直線性を向上することができ、検出精度の向上を図ることができる。

次に、回転部材２として極異方性磁石を用いた場合及び、ラジアル異方性磁石を用いた場合の磁場検出部３に検出される磁場強度（磁束密度）のシミュレーション結果について説明する。なお、シミュレーションで用いたモデルにおいて、回転部材は外径２１ｍｍ（半径１０．５ｍｍ）、内径１６．８ｍｍ（半径８．４ｍｍ）、厚さ７ｍｍのリング状磁石であり、Ｎ極領域５とＳ極領域６が等ピッチで交互に４つずつ設けられたものを前提とした。

図９（ａ）は、回転部材２として極異方性磁石を用いた場合の回転部材の回転に伴うＺ方向の磁場強度の変化のシミュレーション結果を示す図である。また、図９（ｂ）は、同様にＸ方向の磁場強度の変化を示す図である。
一方、図１０（ａ）は、回転部材２としてラジアル異方性磁石を用いた場合の回転部材の回転に伴うＺ方向の磁場強度の変化のシミュレーション結果を示す図である。また、図１０（ｂ）は、同様にＸ方向の磁場強度の変化を示す図である。夫々の図において、図中の値は回転部材２の中心と磁場検出部３との距離（ｍｍ）を示す。

図９から分かるように、回転部材２として極異方性磁石を用いた場合には、回転部材２の中心から磁場検出部３までの距離を何れに設定した場合であっても、Ｚ方向の磁場強度の分布及びＸ方向の磁場強度の分布ともに略正弦波形状となった。
一方、図１０から分かるように、回転部材２としてラジアル異方性磁石を用いた場合には、回転部材２の中心から磁場検出部までの距離が大きくなるにつれて、磁場強度の分布が正弦波形状に近づいた。しかし、回転部材の中心から磁場検出部までの距離が１４ｍｍ未満の場合には、Ｚ方向の磁場強度の分布は方形波状となった。また、１４ｍｍ未満の場合には、Ｘ方向の磁場強度の分布は三角形波状となった。

図１１は、回転部材２の中心から磁場検出部３までの距離を変化させた場合のＺ方向磁場強度の振幅、Ｘ方向の磁場強度の絶対値の振幅、及び、Ｚ方向磁場強度の振幅とＸ方向の磁場強度の振幅との比（以下、磁場強度の比と称する）を示す図である。図１１（ａ）は回転部材２として極異方性磁石を用いた場合の結果を示す図であり、図１１（ｂ）は回転部材２としてラジアル異方性磁石を用いた場合の結果を示す図である。

図１１（ａ）から分かるように、回転部材２として極異方性磁石を用いた場合、磁場強度の比は、回転部材２の中心から磁場検出部３までの距離の増加に伴って増加し、距離が１４ｍｍ以上の場合には磁場強度の比が約１．４で略一定となった。一方、図１１（ｂ）から分かるように、回転部材２として極異方性磁石を用いた場合についても、回転部材２の中心から磁場検出部までの距離の増加に伴って増加したが、距離が１６ｍｍ以上の場合には磁場強度の比が約１．４で略一定となった。

また、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）から分かるように、回転部材２の中心から磁場検出部３までの距離を１１ｍｍから１４ｍｍまで増加させた際、回転部材２として極異方性磁石を用いた場合には、磁場強度の比は約１．２から約１．４まで緩やかに増加した。一方、回転部材２としてラジアル異方性磁石を用いた場合には、磁場強度の比は約０．６から約１．４まで急激に増加した。このように、回転部材２として極異方性磁石を用いた場合の方がラジアル異方性磁石に比べて磁場強度の比の変化が緩やかであり、その挙動の差は回転部材２と磁場検出部３との距離が小さくなるほど顕著であった。

図１２は、回転部材２の中心から磁場検出部３までの距離が所定の基準距離（ｍｍ）から０．５ｍｍ増加した場合における回転部材の周囲の磁場角度の変化量を示す図である。なお、図中の値は、増加する前の距離（基準距離）を示す。図１２（ａ）は回転部材２に極異方性磁石を用いた場合の結果を示し、図１２（ｂ）は回転部材２としてラジアル異方性磁石を用いた場合の結果を示す。

図１２から分かるように、回転部材２として極異方性磁石を用いた場合には、全ての結果において、磁場角度の変化量は１．０（ｄｅｇ）未満であった。一方、回転部材２としてラジアル異方性磁石を用いた場合には、磁場角度の変化量は極異方性磁石の場合よりも大きく、特に、基準距離が小さくなるほど磁場角度の変化量が増加した。

ところで、上述したように回転角度に対する演算部４にて演算した演算値θの直線性を向上させるために、磁場の強度比と磁場検出部３の感度比とがお互いに相殺し合うように磁場検出部３の感度比を設定したり、磁場強度の比が１になるように、一方の磁場強度に係数をかけたりする補正処理を行う場合がある。この場合、図１１に示すように、回転部材２として極異方性磁石を用いることにより、回転部材２と磁場検出部３との距離が変化しても磁場強度の比がほとんど変化しないことから、ラジアル異方性磁石を用いた場合と比較して上記の処理が容易になる。上述の処理の容易性の差は、特に回転部材２と磁場検出部３との距離が小さい場合に顕著になる。

また、図１２の結果から分かるように、回転部材２として極異方性磁を用いることにより、回転部材２と磁場検出部３との径方向の距離が変動した場合に生じる磁場の向きの変動を低減することができる。このため、回転部材２として極異方性磁を用いることにより、角度検出装置の組付け誤差の影響による検出結果の変動を低減することができる。また、角度検出装置の使用時に回転軸のふれにより回転部材２と磁場検出部３との径方向における距離が変動した場合であっても、検出結果の変動を低減することができる。特に、回転部材２と磁場検出部３との距離が小さい場合には、回転部材２として極異方性磁石を用いることにより、検出結果の変動を低減することができる。

図１３は、上述の補正処理を行った後の各回転角度における回転部材２の回転角度と角度検出装置の検出角度との直線性を示す図である。この図において、補正係数は、この図において、回転部材２として極異方性磁石を用いた場合の補正係数は１．６であり、ラジアル異方性を用いた場合の補正係数は、２０．５であった。回転部材２の中心と磁場検出部３との間の距離は、１２．５ｍｍに設定した。直線性の基準として、回転部材２の回転角度と各回転角度における磁場の向きとの関係を直線近似した場合の理想直線と、実際の関係との差を示す％ＦＳ値を用いた。図１３に示すとおり、回転部材２として極異方性磁石を用いた方が優れた直線性が得られた。この結果より、回転部材２として極異方性磁石を用いた方が補正処理が容易であることが確認された。

上述のように、回転部材２として極異方性磁石を用いることにより、装置のコンパクト化を図りつつ検出精度を維持することができる。なお、図９に示したように極異方性磁石の磁場強度の分布は正弦波となる。従って、回転部材２として磁場検出部３との対向面の表面における磁束密度の分布が正弦波となるように着磁された等方性磁石を用いた場合も極異方性磁石の場合と同様の効果を得ることができる。一般的に、等方性磁石は極異方性磁石に比べてコストが安く、回転部材として等方性磁石を用いることにより、製造コストを低減することができる。

〔第２実施形態〕
この第２実施形態は、上記第１実施形態における回転部材２の形状の別実施形態である。図１４に示すように、この実施形態において、回転部材の外周面に周方向に延在する溝部２１が形成されている。この溝部２１は、回転部材２の外周面のＹ軸方向（スラスト方向）における中央部に、外周面の全周に亘って形成されている。この実施形態では、溝部２１は延在方向に垂直な方向の断面視で略四角形形状を有する。なお、溝部２１の形状はこれに限られるものではなく、例えば、円弧形状、半円形状、三角形状、階段形状など、上述以外の形状であってもよい。

次に、回転部材２として溝部２１を形成したものを用いた場合と溝部２１を形成しないものを用いた場合の回転部材２と磁場検出部３との相対位置の変化が磁場角度の検出結果に与える影響を示すシミュレーション結果について説明する。なお、シミュレーションで用いたモデルにおいて、回転部材２は、外径１０．３ｍｍ（半径５．１５ｍｍ）、内径８．２ｍｍ（半径４．１ｍｍ）、厚さ（スラスト方向幅）５．０ｍｍ、のリング状磁石でありＮ極領域５とＳ極領域６が等ピッチで交互に４つずつ設けられたものを前提とした。また、溝部２１は、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍとし、幅が回転部材２の厚さ方向の中央部から上下に０．５ｍｍずつとし、溝部２１の幅方向の中央線と回転部材２の厚さ方向の中央線とが一致するように配置した。磁場検出部３の初期位置は、ラジアル方向位置を回転部材２の中心から１２．５ｍｍ、スラスト方向位置を回転部材２の厚み方向の中央部とした。

図１５は、回転部材２と磁場検出部３とがスラスト方向に位置ずれした場合のシミュレーション結果を示す。図１５（ａ）は溝部２１を形成した回転部材２を用いた場合の結果を示す図であり、図１５（ｂ）は溝部２１を形成していない回転部材を用いた場合の結果を示すである。これらの図において、各回転角度における磁場検出部３が初期位置からスラスト方向に移動した際の初期位置からの磁場角度の変化量を％値で示した。図から分かるように、磁場検出部が１．５ｍｍ位置ずれした場合、回転部材２に溝部２１を設けなかった場合には、磁場角度の変化量が０．５％以上であった。一方、回転部材２に溝部２１を形成した場合、磁場角度の変化量は、０．２５％以下となり、溝部２１を形成しない場合と比較して、変化量が大幅に減少した。このように、回転部材２に溝部２１を形成することにより、回転部材と磁場検出部３との相対位置がスラスト方向に変化することにより磁場検出部３の検出結果が変化するのを防止することができる。

図１６に回転部材２のスラスト方向における磁場強度の分布を表す模式図を示す。図１６（ａ）は、溝部２１を設けた場合であり、図１６（ｂ）は溝部２１を設けない場合である。溝部２１を設けない場合、磁場強度は中央部付近で最大となり、両端部に向かうにしたがって急激に小さくなる。一方、溝部２１を設けた場合には、中央部付近の磁場強度が小さくなることにより、スラスト方向の位置が変化しても磁場強度の変化が小さくなる。

上述のように、この磁場検出部３は、２方向の磁場強度を検出することにより、磁場角度を検出するが、磁場検出部３のスラスト方向位置が変化した際の磁場強度の変化がこの２方向で異なる。このために、磁場検出部３がスラスト方向に移動すると、磁場角度の検出結果が変化すると考えられる。したがって、回転部材に溝部２１を形成して、スラスト方向の位置変化に伴う磁場強度の変化を小さくすることにより、磁場検出部３がスラスト方向に移動した際の検出結果の変化量を低減することができたと考えられる。なお、溝部２１を形成した領域の磁場強度が略一定となるので、溝部２１の形成領域において、磁場検出部３と回転部材２とが対向するように、両者を配置すると特に好ましい。

また、図１７は、回転部材２と磁場検出部３とがラジアル方向に位置ずれした場合のシミュレーション結果を示す。図１７（ａ）は溝部２１を形成した回転部材２を用いた場合の結果を示す図であり、図１７（ｂ）は溝部２１を形成していない回転部材を用いた場合の結果を示す図である。図１５と同様に、初期位置からの変化量を％値で示した。図から分かるように、磁場検出部が初期位置から０．５ｍｍ位置ずれした場合、回転部材２に溝部２１を設けなかった場合には、磁場角度の変化量の最大値が０．５％程度であった。一方、回転部材２に溝部２１を形成した場合、磁場角度の変化量の最大値は、０．２５％程度となり、溝部２１を形成しない場合と比較して変化が減少した。このように、回転部材２に溝部２１を形成することにより、回転部材と磁場検出部３との相対位置がラジアル方向に変化することにより磁場検出部の検出結果が変化するのを防止することができる。

上述のように、回転部材２の外周面に溝部２１を形成することにより、スラスト方向及びラジアル方向の何れに位置ずれした場合であっても、磁場検出部３の検出結果に与える影響を低減することができる。

〔第３実施形態〕
この第３実施形態は、上記第１実施形態において、回転部材２におけるＮ極領域５とＳ極領域６との配置構成の別実施形態である。
図１８に示すように、Ｎ極領域５及びＳ極領域６は、回転部材２の周囲に発生する磁場について最大磁場が得られる第１方向（Ｚ方向）が回転部材２回転中心と平行になるように配置している。Ｎ極領域５及びＳ極領域６は、回転部材２の下面部に設けている。１つのＮ極領域５を２つのＳ極領域６にて挟む状態でＮ極領域５とＳ極領域６とを回転中心の周りに交互に配置している。

磁場検出部３は、Ｎ極領域５とＳ極領域６との夫々に対して回転部材２の回転中心と平行な方向に配置している。磁場検出部３は、回転部材２の径方向において、回転部材２と上下に重複するように配置している。このようにして、磁場検出部３を設けた基板７上において、回転部材２を回転するようにしている。

この第３実施形態では、回転部材２の周囲に発生する磁場について最大磁場が得られる第１方向（Ｚ方向）が、回転部材２の軸心方向となる。Ｎ極領域５とＳ極領域６との並び方向に沿う第２方向（Ｘ方向）は、回転部材２の回転方向となる。第３方向（Ｙ方向）は、回転部材２の径方向となる。

〔別実施形態〕
（１）上記第１、第２及び第３実施形態において、例えば、磁場検出部３が、Ｙ方向に沿って配置した一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧を加算した値とＸ方向に沿って配置した一対の検出素子９ａ，９ｂの出力電圧を加算した値との平均値を求めることにより、Ｚ方向の磁場成分の大きさを検出することもできる。このように、磁場検出部３は、Ｙ方向に沿って配置した一対の検出素子９ｃ，９ｄとＸ方向に沿って配置した一対の検出素子９ａ，９ｂとの両方を用いながら、Ｚ方向の磁場成分の大きさを検出することもできる。

（２）上記第１、第２及び第３実施形態において、一対の検出素子９をＸ方向に沿って配置した一対の検出素子９ａ，９ｂの一組だけ設けることもできる。この場合、磁場検出部３は、Ｘ方向に沿って配置した一対の検出素子９ａ，９ｂの出力電圧を加算することにより、Ｚ方向の磁場成分の大きさを検出し、Ｘ方向に沿って配置した一対の検出素子９ａ，９ｂの出力電圧の差分を算出することにより、Ｘ方向の磁場成分の大きさを検出する。

（３）上記第３実施形態において、磁場検出部３を回転部材２の径方向外方に配置することもできる。

第１実施形態における角度検出装置の斜視図及び断面図 磁場検出部の斜視図 磁場検出部の断面図 外部磁場と磁性プレートの最大磁化との関係を示すグラフ 印加磁場の角度を示す図及び印加磁場の角度と磁場との関係を示すグラフ 回転部材の回転角度と磁場強度との関係を示すグラフ 角度と角度検出装置の演算値との関係を示すグラフ 回転部材における磁場線の様子示す模式図 極異方性磁石を用いた場合の磁場強度の分布を示す図 ラジアル異方性磁石を用いた場合の磁場強度の分布を示す図 回転部材からの距離と磁場強度の比との関係を示す図 回転部材からの距離が変化した場合の磁場方向の変化を示す図 回転角度と演算角度との直線性を示す図 第２実施形態における角度検出装置の斜視図 スラスト方向に位置ずれした場合の検出結果の変化を示す図 回転部材のスラスト方向の磁場分布を示す模式図 ラジアル方向に位置ずれした場合の検出結果の変化を示す図 第２実施形態における角度検出装置の斜視図及び断面図 従来の角度検出装置の斜視図及び断面図 回転部材の回転角度と磁場強度との関係を示すグラフ

２ 回転部材
３ 磁場検出部
４ 演算手段（演算部）
５ Ｎ極領域
６ Ｓ極領域
８ 磁性プレート
９ 検出素子
２１ 溝部
Ｚ 第１方向
Ｘ 第２方向

Claims (9)

1. Ｎ極性を有するＮ極領域とＳ極性を有するＳ極領域とを回転中心の周りに交互に配置した回転部材と、
   板状の磁性プレートと当該磁性プレートに垂直な方向における磁場成分の大きさを検出する一対の検出素子とを有する磁場検出部と、
   前記磁場検出部の検出情報に基づいて前記回転部材の回転角度を求める演算手段とを設け、
   前記磁場検出部は、前記回転部材の周囲に発生する磁場について最大磁場が得られる第１方向に対して前記磁性プレートを垂直に面するように配置して、当該第１方向と前記Ｎ極領域と前記Ｓ極領域との並び方向に沿う第２方向との二方向の磁場成分の大きさを検出するように構成している角度検出装置。
2. 前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域は、前記第１方向と前記第２方向とが直交するように配置している請求項１に記載の角度検出装置。
3. 前記一対の検出素子は、前記第２方向に沿って配置している請求項１又は２に記載の角度検出装置。
4. 前記一対の検出素子は、前記第１方向に対する垂直な面において、前記第２方向に沿って配置した一組と前記第２方向に直交する方向に沿って配置した一組との二組設けている請求項１〜３の何れか１項に記載の角度検出装置。
5. 前記回転部材は、前記Ｎ極領域と前記Ｓ極領域との夫々を径方向の外方に面するように配置してあり、
   前記磁場検出部は、前記Ｎ極領域と前記Ｓ極領域との夫々と対向する前記回転部材の径方向外方に配置している請求項１〜４の何れか１項に記載の角度検出装置。
6. 前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域は、前記第１方向が前記回転中心と平行になるように配置してあり、
   前記磁場検出部は、前記Ｎ極領域と前記Ｓ極領域との夫々に対して前記回転中心と平行な方向に配置している請求項１〜５の何れか１項に記載の角度検出装置。
7. 前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域が円環状又は円状で形成され、
   前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域を形成する磁石の径方向の幅が、前記Ｎ極領域の周方向幅の半分の長さ及び前記Ｓ極領域の周方向幅の半分の長さよりも大きく設定されている請求項１〜６の何れか１項に記載の角度検出装置。
8. 前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域を形成する磁石の外周面に、周方向に延在する溝部が形成されている請求項１〜７の何れか１項に記載の角度検出装置。
9. 前記回転部材の回転軸方向における前記溝部の形成領域において、前記磁場検出部と前記磁石とが対向する請求項８に記載の角度検出装置。

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