CN107179094B - 旋转角度检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种旋转角度检测装置，具备：磁铁，其以伴随着旋转体的旋转而与旋转轴可一体旋转的方式设置，沿着旋转轴观察时的形状实质上为圆形；磁传感器部，其基于伴随着磁铁的旋转的磁场的方向的变化，输出传感器信号；旋转角度检测部，其基于由磁传感器部输出的传感器信号而检测旋转体的旋转角度，磁铁具有与旋转轴正交的方向的磁化矢量成分，在将与旋转轴正交且以旋转轴为中心的圆形的假想平面设定于磁铁的附近时，磁传感器部被设置于假想平面上的径向的磁场强度(Hr)及周向的磁场强度(Hθ)的振幅相互实质上相同的位置，且将径向的磁场强度(Hr)和/或周向的磁场强度(Hθ)作为传感器信号而输出。

Description

旋转角度检测装置
技术领域
本发明涉及检测旋转体的旋转角度的装置。
背景技术
目前，在各种用途中，使用用于检测旋转体的旋转角度的旋转角度检测装置。作为这种旋转角度检测装置，已知有具备以与旋转体一体旋转的方式固定的磁铁和检测伴随着磁铁的旋转的磁场强度的变化的磁传感器元件的旋转角度检测装置。在这种旋转检测装置中，磁传感器元件输出表示旋转体和磁传感器元件的相对位置关系的信号。
作为现有的旋转角度检测装置，如图23A及图23B，已知有如下旋转角度检测装置：形成为圆板状的磁铁200以使磁铁200的第一面201及第二面202与轴S(旋转轴)正交的方式支承、固定于该轴S(旋转轴)，在磁铁200的第二面202的外周的正下方且在以轴S(旋转轴)为中心的周向上配置有磁传感器元件(霍尔元件)300(参照专利文献1)。
在上述旋转角度检测装置中，有时因轴S(旋转轴)在径向上产生微小移动的轴抖动而导致支承、固定于轴S(旋转轴)的磁铁200在径向上有微小移动。另一方面，磁传感器元件(霍尔元件)300以测定磁铁200的外周的角部的平行于轴S(旋转轴)的方向的磁通密度的方式配置。因此，存在如下问题：伴随着磁铁200的微小移动，由磁传感器元件(霍尔元件)300测定的磁通密度的测定值会大幅变动，导致旋转角度的测定误差增大。
因此，目前提出了一种旋转角度检测装置，其如下配置，如图24A及图24B所示，具备被轴S(旋转轴)支承、固定且具有第一面211及与其相对的第二面212的磁铁210、和配置于磁铁210的外周缘的正下的磁传感器元件(霍尔元件)310，磁铁210具有遍及全周除去第二面212侧的外周缘的角部而形成的倒角部213(倾斜面)，磁传感器元件(霍尔元件)310的检测面的一部分位于倒角部213(倾斜面)的正下，剩余的部分位于比磁铁210的外周缘更靠近外侧的位置(参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003－75108号公报
专利文献2：国际公开第2008/050581号
但是，在上述专利文献2所记载的旋转角度检测装置中，磁传感器元件310以检测由磁铁210产生的旋转轴方向的磁场的方式构成，由此，通过磁铁210的倒角部213(倾斜面)的倾斜角度来减小旋转角度的检测误差，因此，最佳的磁传感器元件310的配置场所会发生变动。因此，存在必须要根据磁铁210的倒角部213(倾斜面)的倾斜角度来微调整磁传感器元件310的配置场所的问题。即，存在如果不能以高精度的倾斜角度形成磁铁210的倒角部213(倾斜面)，且不能将磁传感器元件310精确地配置在适宜的位置，则旋转角度的检测误差就会增大的问题。
另外，通常，为了减小旋转角度检测装置的尺寸，要求降低磁铁的体积，另一方面，要求从磁铁产生通过磁传感器元件可测定磁通密度的变化的程度的强度的磁场。上述专利文献2中，因为在磁铁210的外周缘形成倒角部213(倾斜面)，所以与未形成该倒角部213(倾斜面)的磁铁相比，虽然可以降低体积，但从磁铁210向倒角部213(倾斜面)侧产生的磁场(旋转轴方向的磁场)会变弱。但是，因为磁铁210必须产生通过磁传感器元件310可测定磁通密度的变化的程度的强度的磁界，所以同时满足加强磁场强度之类的要求、减小磁铁的体积之类的要求的相斥的要求是困难的。假如出于加强磁场强度的目的而增大磁铁210的体积，由此磁铁210的质量相对变大，则伴随轴S(旋转轴)的旋转的惯性力矩会增大。其结果，难以抑制轴抖动，旋转角度的检测误差可能会增大。再有，因需要一定程度上确保磁铁210的质量，从而也存在旋转角度检测装置的制造成本增大的问题。
在上述专利文献2所记载的旋转角度检测装置中，使用朝向磁铁210的倒角部213(倾斜面)侧产生的磁场(旋转轴C方向的磁场)的大小来计算旋转角度。然后，在与磁铁210的倒角部213(倾斜面)相对的非常窄的区域配置磁传感器元件310时，旋转角度的检测误差减小。而且，该区域相对于磁铁210的相对的位置会根据倒角部213(倾斜面)的倾斜角度而发生变动。因此，为了通过专利文献2所记载的旋转角度检测装置精确地检测旋转角度，必须在根据倒角部213(倾斜面)的倾斜角度发生变动的区域精确地配置磁传感器元件310。因此，存在因轴抖动而旋转角度的检测误差增大的问题。
发明内容
鉴于上述课题，本发明的目的在于，提供一种能够基于径向和/或周向的磁场强度而精确地检测旋转角度的旋转角度检测装置。
为了解决上述课题，本发明提供一种旋转角度检测装置，其特征在于，具备：磁铁，其以伴随着旋转体的旋转而与其旋转轴可一体旋转的方式设置，沿着所述旋转轴观察时的形状实质上为圆形；磁传感器部，其基于伴随着所述磁铁的旋转的磁场的方向的变化，输出传感器信号；旋转角度检测部，其基于由所述磁传感器部输出的所述传感器信号，检测所述旋转体的旋转角度，所述磁铁具有与所述旋转轴正交的方向的磁化矢量成分，在将与所述旋转轴正交且以所述旋转轴为中心的圆形的假想平面设定于所述磁铁的附近时，所述磁传感器部被设置于所述假想平面上的径向的磁场强度Hr及周向的磁场强度Hθ的振幅相互实质上相同的位置，且至少将所述径向的磁场强度Hr及所述周向的磁场强度Hθ的任一方作为所述传感器信号而输出。(发明1)。
上述发明(发明1)中，优选的是，所述磁铁具有与所述旋转轴实质上正交的第一面和与该第一面相对且在沿着所述旋转轴的轴向观察时物理上包含所述第一面的大小的第二面，所述磁传感器部被设置于与所述磁铁的所述第二面相对的位置(发明2)。
上述发明(发明2)中，优选的是，所述磁铁包含：具有所述第二面的基部、和具有所述第一面且从所述基部朝向所述第一面侧突出的凸部(发明3)。
上述发明(发明3)中，优选的是，所述基部具有与所述第二面的外周缘部连续且与所述旋转轴实质上平行的侧面(发明4)，优选的是，所述凸部从比所述基部的所述侧面更靠所述磁铁的径向内侧的位置朝向所述第一面侧突出(发明5)，优选的是，所述凸部从所述基部朝向所述第一面侧，以向所述磁铁的径向内侧倾斜的方式突出(发明6)，优选的是，所述基部和所述凸部的体积比为1：0.2以上(发明7)。
上述发明(发明2～7)中，优选的是，所述磁传感器部在从所述旋转角度检测装置的侧面观察时，被设置于通过所述第一面的外周缘部的与所述旋转轴平行的第一线段和通过所述第二面的外周缘部的与所述旋转轴平行的第二线段之间(发明8)。
上述发明(发明1～7)中，作为所述磁传感器部，可以使用包含TMR元件、GMR元件、AMR元件或霍尔元件的部件(发明9)。
上述发明(发明1～7)中，优选的是，具备多个所述磁传感器部，所述多个磁传感器部中的至少两个沿着所述假想平面上的周向以所述旋转轴为中心并以实质上(180/M)°的间隔配置，其中，M为2以上的整数(发明10)。
上述发明(发明10)中，优选的是，所述各磁传感器部将所述径向的磁场强度Hr或所述周向的磁场强度Hθ作为所述传感器信号而输出(发明11)。
根据本发明，可以提供一种能够基于径向和/或周向的磁场强度而精确地检测旋转角度的旋转角度检测装置。
附图说明
图1A是表示本发明的一个实施方式的旋转角度检测装置的概略结构的截面图，图1B是从本发明的一个实施方式的旋转角度检测装置的磁铁的第二面侧观察的平面图；
图2是表示本发明的一个实施方式的磁铁的主要部分的局部放大侧视图；
图3是表示本发明的一个实施方式的磁铁的其它方式(其1)的截面图；
图4是表示本发明的一个实施方式的磁铁的其它方式(其2)的截面图；
图5是表示本发明的一个实施方式的磁铁的其它方式(其3)的截面图；
图6A是表示由本发明的一个实施方式的磁传感器部检测的磁场强度(径向及周向的磁场强度)的概略图，图6B是表示由该磁传感器部检测的磁场强度(径向的磁场强度)的其它方式的概略图，图6C是表示由该磁传感器部检测的磁场强度(周向的磁场强度)的其它方式的概略图；
图7是概念性表示本发明的一个实施方式的磁铁的第二面的下方的径向及周向的磁场强度的图；
图8A是概念性表示本发明的一个实施方式的磁铁和可配置磁传感器的区域的立体图，图8B是图8A的侧视图；
图9是表示在本发明的一个实施方式的旋转角度检测装置中检测的磁场强度的振幅的图表；
图10A及图10B是概略性表示本发明的一个实施方式的磁传感器部的电路结构的一个方式的电路图；
图11是表示作为本发明的一个实施方式的磁检测元件的MR元件的概略结构的立体图；
图12是概略性表示本发明的一个实施方式的旋转角度检测部的电路结构的一个方式的电路图；
图13是表示实施例1的模拟结果的图；
图14是表示实施例2的模拟结果的图；
图15是表示实施例3的模拟结果的图；
图16是表示实施例4的模拟结果的图；
图17是表示实施例5的模拟结果的图；
图18是表示实施例6的模拟结果的图；
图19是表示实施例7的模拟结果的图；
图20是表示实施例8的模拟结果的图；
图21是表示实施例9的模拟结果的图；
图22是表示比较例1的模拟结果的图；
图23A是表示现有的旋转角度检测装置的概略结构的截面图(其1)，图23B是从现有的旋转角度检测装置的磁铁的第二面侧观察的平面图(其1)；
图24A是表示现有的旋转角度检测装置的概略结构的截面图(其2)，图24B是从现有的旋转角度检测装置的磁铁的第二面侧观察的平面图(其2)。
符号的说明
1…旋转角度检测装置
2…磁铁
2A…第一面
2B…第二面
3…磁传感器部
4…旋转角度检测部。
具体实施方式
参照附图，详细地说明本发明的实施方式。图1A是表示本实施方式的旋转角度检测装置的概略结构的截面图，图1B是从本实施方式的旋转角度检测装置的磁铁的第二面侧观察的平面图，图2是表示本实施方式的磁铁的主要部分的局部放大侧视图。
如图1A及图1B所示，本实施方式的旋转角度检测装置1具备支承、固定于轴S且与轴S一体旋转的磁铁2、基于伴随着磁铁2的旋转的磁场变化来输出传感器信号的磁传感器部3、基于由磁传感器部3输出的传感器信号而检测旋转体的旋转角度的旋转角度检测部4(参照图12)。
轴S例如由Fe、Ni等磁性体金属构成，具有圆柱形状。轴S例如与电动机、齿轮等旋转角度检测对象物(未图示)一体旋转。
磁铁2具有实质上与轴S的旋转轴C(轴心)正交的第一面2A、和与第一面2A相对的第二面2B，沿着轴S的旋转轴C的轴向观察时，第一面2A及第二面2B为大致圆形状，第二面2B为物理上包含第一面2A的大小。
磁铁2以使磁铁2的第一面2A及第二面2B的重心(中心)和轴S的旋转轴C一致的方式支承、固定于轴S，沿与轴S的旋转轴C正交的方向(第一面2A及第二面2B的面内方向)被磁化。此外，本实施方式中，举出沿与旋转轴C正交的方向磁化的磁铁2的例子，但不限于这样的方式。例如，磁铁2只要具有与旋转轴C正交的方向的磁化矢量成分即可，但优选磁铁2的磁化方向实质上与旋转轴C正交(磁化方向相对于旋转轴C的角度为90±10°左右)。
本实施方式的磁铁2具有：具有第二面2B的基部21；具有第一面2A且从基部21朝向第一面2A侧突出的凸部22。基部21具有与第二面2B的外周缘部21E连续，且实质上与轴S的旋转轴C平行的侧面2C(参照图2)。凸部22从比基部21的侧面2C更靠磁铁2的径向内侧的位置P(参照图2)朝向第一面2A侧突出，具有向磁铁2的径向内侧以规定的角度θ2D倾斜的倾斜侧面2D。
磁铁2的基部21的厚度T21没有特别限定，例如，可以设定为1～4mm左右。凸部22的厚度T22也没有特别限定，例如可以设定为1～4mm左右。
磁铁2的第一面2A的直径D2A和第二面2B的直径D2B的比优选为1：2以上。如果第一面2A的直径D2A和第二面2B的直径D2B的比在上述范围内，则在第二面的下方设定与旋转轴C正交且以旋转轴C为中心的圆形的假想平面Vf时，可以使该假想平面Vf上的规定的位置的径向的磁场强度Hr及周向的磁场强度Hθ的振幅设为相互实质上相同。在此，假想平面Vf是在磁铁2的第二面2B的下方的规定的空间(第二面2B附近的空间)内任意设定的平面。此外，第一面2A的直径D2A例如可设定为8～20mm左右，第二面2B的直径D2B例如可以设定为16～40mm左右。
从基部21的侧面2C至凸部22的倾斜侧面2D的立起位置(磁铁2的径向内侧的位置P)的长度L(沿着磁铁2的径向的长度)例如可以设定为8mm以下左右、优选为1～4mm左右。
本实施方式的磁铁2中，基部21的体积V21和凸部22的体积V22之比(V21：V22)优选为1：0.2以上，更优选为1：0.2～5，特别优选为1：0.2～1。如果该体积比(V21：V22)在上述范围内，则可以在凸部22的外周圆的直径和基部21的外周圆的直径之间生成径向的磁场强度Hr及周向的磁场强度Hθ的振幅相互实质上相同的区域。
此外，本实施方式的磁铁2不限于图1A及图2的方式。例如，如图3所示，也可以是具有包含第二面2B及与第二面2B的外周缘部21E连续的侧面2C的基部21、和包含与侧面2C的上端连续的倾斜侧面2D及第一面2A的凸部22的方式。另外，如图4所示，也可以是具有包含第二面2B的基部21、和包含与第二面2B的外周缘部21E连续的倾斜侧面2D及第一面2A的凸部22的截面大致梯形状的方式。再有，如图5所示，也可以是具有包含第二面2B及与第二面2B的外周缘部21E连续的侧面2C的基部21、包含从比侧面2C靠磁铁2的径向内侧的位置P向与轴S的旋转轴C实质上平行的方向立起的侧面2E及第一面2A的凸部22的、截面大致台阶形状的方式。
本实施方式中的磁传感器部3，在磁铁2的第二面2B的下方设定与旋转轴C正交且以旋转轴C为中心的圆形的假想平面Vf时，被设置于该假想平面Vf上的规定的位置的径向的磁场强度Hr及周向的磁场强度Hθ的振幅相互实质上相同的位置。此外，本实施方式中，如图6A所示，举出具备可检测径向的磁场强度Hr及周向的磁场强度Hθ的一个磁传感器部3的方式，但不限于该方式。例如，如图6B及图6C所示，也可以具备以轴S的旋转轴C为中心以90°的间隔配置而成的两个磁传感器部3。该情况下，两个磁传感器部3可以分别检测径向的磁场强度Hr(参照图6B)，也可以检测周向的磁场强度Hθ(参照图6C)。
在设置多个磁传感器部3的情况下，多个磁传感器部3中的至少两个只要以轴S的旋转轴C为中心以实质上(180/M)°(M为2以上的整数，优选为2～5的整数。)的间隔设置即可。从磁传感器部3输出的信号中包含M次的高频误差成分，但通过按以旋转轴C为中心的(180/M)°的间隔设置磁传感器部3，可以除去该M次的高频误差成分，因此，可以进一步降低旋转角度的检测误差。
本实施方式中，设定于磁铁2的第二面2B的下方的圆形的假想平面Vf上的径向的磁场强度Hr及周向的磁场强度Hθ可以分别作为由磁铁2的基部21生成的径向磁场Mr21和由凸部22生成的径向磁场Mr22之和及由基部21生成的周向磁场Mθ21和由凸部22生成的周向磁场Mθ22之和进行处理(参照图7)。
如本实施方式那样，在磁铁2的面内方向上被磁化的情况下，假想平面Vf上的径向的磁场强度Hr的大小分别在N极侧端部NP附近及S极侧端部SP附近变成最大，分别在从N极侧端部NP及S极侧端部SP以轴5为中心旋转了90°的位置变成最小。另一方面，周向的磁场强度Hθ的大小分别在从N极侧端部NP及S极侧端部SP以轴5为中心旋转了90°的位置变成最大，分别在N极侧端部NP附近及S极侧端部SP附近变成最小。
本实施方式中，N极侧端部NP及S极侧端部SP的各个中的由基部21生成的径向磁场Mr21的方向与磁铁2的磁化方向DM反向平行，但由凸部22生成的径向磁场Mr22的方向与磁铁2的磁化方向DM平行。再有，由基部21生成的径向磁场Mr21的大小(磁场强度Hr21)比由凸部22生成的径向磁场Mr22的大小(磁场强度Hr22)大(Hr21>Hr22)。此外，在图7中，各磁场Mr21、Mr22、Mθ21、Mθ22的大小(磁场强度Hr21、Hr22、Hθ21、Hθ22)通过箭头的长度来表示。
另一方面，从N极侧端部NP及S极侧端部SP分别以轴S为中心旋转了90°的位置的由基部21生成的周向磁场Mθ21的方向及由凸部22生成的周向磁场Mθ22的方向均与磁铁2的磁化方向DM反向平行，这些磁场Hθ21、Hθ22的大小比N极侧端部NP及S极侧端部SP的由基部21生成的径向磁场Mr21的大小(磁场强度Hr21)小(Hr21＞Hθ21、Hr22)。由此，径向的磁场强度Hr的振幅和周向的磁场强度Hθ的振幅实质上相同。
如上所述，生成在本实施方式的磁铁2的第二面2B的下方设定的假想平面Vf上的径向及周向的磁场强度Hr、Hθ的振幅彼此实质上相同的区域(可配置磁传感器的区域5)。如图8A及图8B所示，该可配置磁传感器的区域5是通过磁铁2的第一面2A的外周缘部22E的与旋转轴C平行的第一假想线L1和通过第二面2B的外周缘部21E的与旋转轴C平行的第二假想线L2之间的、第二面2B的下方的环状的区域。因此，通过在该可配置磁传感器的区域5设置磁传感器部3，可以使径向的磁场强度Hr的振幅和周向的磁场强度Hθ的振幅实质上相同(参照图9)，因此，能够降低本实施方式的旋转角度检测装置1的旋转角度的检测误差。
本实施方式的磁传感器部3包含至少一个磁检测元件。磁传感器部3也可以包含串联连接的一对磁检测元件作为至少一个磁检测元件。该情况下，磁传感器部3具有包含串联连接的第一一对磁检测元件和串联连接的第二一对磁检测元件的第一及第二检测电路。
如图10A，磁传感器部3具有的第一检测电路31具有：电源端口V1、接地端口G1、两个输出端口E11、E12、第一惠斯通电桥电路311。第一惠斯通电桥电路311具有：包含串联连接的第一一对磁检测元件R11、R12的第一信号生成部31A、包含串联连接的第二一对磁检测元件R13、R14的第二信号生成部31B。磁检测元件R11、R13的接点J12与电源端口V1连接。磁检测元件R11、R12的接点J11与输出端口E11连接。磁检测元件R13、R14的接点J14与输出端口E12连接。磁检测元件R12、R14的接点J13与接地端口G1连接。对电源端口V1施加规定大小的电源电压，接地端口G1与地线连接。由第一信号生成部31A生成的第一信号S1从输出端口E11输出，由第二信号生成部31B生成的第二信号S2从输出端口E12输出。
另外，如图10B所示，磁传感器部3具有的第二检测电路32具有：电源端口V2、接地端口G2、两个输出端口E21、E22、第二惠斯通电桥电路312。第二惠斯通电桥电路312具有：包含串联连接的第三一对磁检测元件R21、R22的第三信号生成部32A、包含串联连接的第四一对磁检测元件R23、R24的第四信号生成部32B。磁检测元件R21、R23的接点J22与电源端口V2连接。磁检测元件R21、R22的接点J21与输出端口E21连接。磁检测元件R23、R24的接点J24与输出端口E22连接。磁检测元件R22、R24的接点J23与接地端口G2连接。对电源端口V2施加规定大小的电源电压，接地端口G2与地线连接。由第三信号生成部32A生成的第三信号S3从输出端口E21输出，由第四信号生成部32B生成的第四信号S4从输出端口E22输出。
本实施方式中，作为第一及第二检测电路31、32所含的所有磁检测元件R11～R14、R21～R24，可使用TMR元件、GMR元件、AMR元件等磁阻效应元件(MR元件)或霍尔元件等，特别优选使用TMR元件。TMR元件及GMR元件具有：固定了磁化方向的磁化固定层、磁化方向根据施加的磁场的方向而变化的自由层、配置于磁化固定层及自由层之间的非磁性层。
具体而言，如图11所示，TMR元件及GMR元件具有多个下部电极61、多个MR膜50、多个上部电极62。多个下部电极61设置于基板(未图示)上。各下部电极61具有细长的形状。在下部电极61的长度方向上相邻的两个下部电极61之间形成有间隙。在下部电极61的上面的长度方向的两端附近分别设有MR膜50。MR膜50包含：从下部电极61侧起依次层叠的自由层51、非磁性层52、磁化固定层53及反强磁性层54。自由层51与下部电极61电连接。反强磁性层54由反强磁性材料构成，通过在与磁化固定层53之间产生交换耦合，来发挥固定磁化固定层53的磁化方向的作用。多个上部电极62设置于多个MR膜50上。各上部电极62具有细长的形状，配置于在下部电极61的长度方向上相邻的两个下部电极61上，将相邻的两个MR膜50的反强磁性层54彼此电连接。此外，MR膜50也可以具有从上部电极62侧起依次层叠有自由层51、非磁性层52、磁化固定层53及反强磁性层54的结构。
在TMR元件中，非磁性层52为隧道势垒层。在GMR元件中，非磁性层52为非磁性导电层。在TMR元件、GMR元件中，电阻值根据自由层51的磁化方向相对于磁化固定层53的磁化方向所成的角度而变化，在该角度为0°(彼此的磁化方向平行)时，电阻值最小，在180°(彼此的磁化方向为反向平行)时，电阻值最大。
图10A中，用涂黑的箭头表示磁检测元件R11～R14的磁化固定层的磁化方向。在第一检测电路31中，磁检测元件R11、R14的磁化固定层53的磁化方向和磁检测元件R12、R13的磁化固定层53的磁化方向为彼此反向平行方向，与磁铁2的径向正交。
在第一信号生成部31A中，当径向的磁场强度Hr通过磁铁2的旋转而变化时，磁检测元件R11、R12的自由层51的磁化方向就相应地变化，接点J11的电位就基于该自由层51的磁化方向和磁化固定层53的磁化方向的相对角度而变化。另外，在第二信号生成部31B中也同样，接点J14的电位基于磁检测元件R13、R14的自由层51的磁化方向和磁化固定层53的磁化方向的相对角度而变化。因此，第一信号生成部31A生成与径向的磁场强度Hr对应的第一信号S1，第一信号S1从输出端口E11输出。第二信号生成部31B生成与径向的磁场强度Hr对应的第二信号S2，第二信号S2从输出端口E12输出。
同样，在图10B中，用涂黑的箭头表示磁检测元件R21～R24的磁化固定层的磁化方向。在第二检测电路32中，磁检测元件R21、R24的磁化固定层53的磁化方向和磁检测元件R22、R23的磁化固定层53的磁化方向为彼此反向平行方向，与磁铁2的磁化方向DM平行。
在第三信号生成部32A中，当周向的磁场强度Hθ通过磁铁2的旋转而变化时，磁检测元件R21、R22的自由层51的磁化方向就相应地变化，接点J21的电位就基于该自由层51的磁化方向和磁化固定层53的磁化方向的相对角度而变化。另外，在第四信号生成部32B中也同样，接点J24的电位基于磁检测元件R23、R24的自由层51的磁化方向和磁化固定层53的磁化方向的相对角度而变化。因此，第三信号生成部32A生成与磁铁2的周向的磁场强度Hθ对应的第三信号S3，第三信号S3从输出端口E21输出。第四信号生成部32B生成与磁铁2的周向的磁场强度Hθ对应的第四信号S4，第四信号S4从输出端口E22输出。
如图12所示，本实施方式的旋转角度检测部4具有第一运算电路41、第二运算电路42、第三运算电路43，基于第一～第四信号S1～S4，生成旋转角度检测值θs。
在第一运算电路41的两个输入端，分别连接有输出端口E11、E12。在第二运算电路42的两个输入端，分别连接有输出端口E21、E22。在第三运算电路43的两个输入端，分别连接有第一及第二运算电路41、42的各输出端。
第一运算电路41基于第一及第二信号S1、S2，生成第一运算后信号Sa1。第二运算电路42基于第三及第四信号S3、S4，生成第二运算后信号Sa2。第三运算电路43基于第一及第二运算后信号Sa1、Sa2，计算出旋转角度检测值θs。
第一运算后信号Sa1通过求出第一信号S1和第二信号S2之差(S1－S2)的运算而生成。第二运算后信号Sa2通过求出第三信号S3和第四信号S4之差(S3－S4)的运算而生成。
第三运算电路43具有标准化电路N1～N4、加法电路43A、减法电路43B、运算部43C。标准化电路N1～N4分别具有输入端和输出端。加法电路43A、减法电路43B及运算部43C分别具有两个输入端和一个输出端。
在标准化电路N1的输入端，连接有第一运算电路41的输出端。在标准化电路N2的输入端，连接有第二运算电路42的输出端。在加法电路43A的两个输入端，分别连接有标准化电路N1、N2的各输出端。在减法电路43B的两个输入端，分别连接有标准化电路N1、N2的各输出端。在标准化电路N3的输入端，连接有加法电路43A的输出端，在标准化电路N4的输入端，连接有减法电路43B的输出端。在运算部43C的两个输入端，分别连接有标准化电路N3、N4的各输出端。
标准化电路N1将对第一运算后信号Sa1进行了标准化的值输出到加法电路43A及减法电路43B。标准化电路N2将对第二运算后信号Sa2进行了标准化的值输出到加法电路43A及减法电路43B。标准化电路N1、N2以例如第一及第二运算后信号Sa1、Sa2的最大值均变成1且最小值均变成－1的方式将第一及第二运算后信号Sa1、Sa2标准化。在本实施方式中，对第一运算后信号Sa1进行了标准化的值成为sin(θ+π/4)，对第二运算后信号Sa2进行了标准化的值成为sin(θ－π/4)。此外，θ是连结接点J12、14的线段和外部磁场所成的角度。
加法电路43A进行求出对第一运算后信号Sa1进行了标准化的值和对第二运算后信号Sa2进行了标准化的值之和的运算，生成加法信号S11。减法电路43B进行求出对第一运算后信号Sa1进行了标准化的值和对第二运算后信号Sa2进行了标准化的值之差的运算，生成减法信号S12。加法信号S11及减法信号S12通过下述式来表示。
S11＝sin(θ－π/4)+sin(θ+π/4)
＝2sinθ·cos(－π/4)
＝1.41sinθ
S12＝sin(θ+π/4)－sin(θ－π/4)
＝2cosθ·sin(π/4)
＝1.41cosθ
标准化电路N3将对加法信号S11进行了标准化的值S21输出到运算部43C。标准化电路N4将对减法信号S12进行了标准化的值S22输出到运算部43C。标准化电路N3、N4以例如加法信号S11及减法信号S12的最大值均变成1且最小值均变成－1的方式将加法信号S11及减法信号S12标准化。在本实施方式中，对加法信号S11进行了标准化的值S21成为sinθ，对减法信号S12进行了标准化的值S22成为cosθ。
运算部43C基于值S21、S22，计算出与角度θ具有对应关系的旋转角度检测值θs。例如，运算部43C利用下述式，计算出旋转角度检测值θs。
θs＝arctan(S21/S22)
在旋转角度检测值θs为0°以上且低于360°的范围内，在上述式的旋转角度检测值θs的解上，具有相差180°的不同的两个值。但是，通过值S21、S22的正负组合，能够判别旋转角度检测值θs的真值为两个解中的哪一个。即，在值S21为正值时，旋转角度检测值θs大于0°且小于180°。在值S21为负值时，旋转角度检测值θs大于180°且小于360°。在值S22为正值时，旋转角度检测值θs为0°以上且低于90°及大于270°且360°以下的范围内。在值S22为负值时，旋转角度检测值θs大于90°且小于270°。运算部43C通过由上述式求出的旋转角度检测值θs和值S21、S22的正负组合，能够在0°以上且低于360°的范围内，求出旋转角度检测值θs的真值。
如上所述，在本实施方式的旋转角度检测装置1中，在磁铁2具有：具有第二面2B的基部21、具有第一面2A且从基部21朝向第一面2A侧突出的凸部22，由此，在第二面2B的下方，生成径向及周向的磁场强度Hr、Hθ的振幅实质上相同的区域(可配置磁传感器的区域5)。再有，因为在该可配置磁传感器的区域5设有磁传感器部3，所以能够降低旋转角度的检测误差。另外，因为以根据径向的磁场强度Hr及周向的磁场强度Hθ计算旋转角度的方式构成，且可配置磁传感器的区域5相较于磁传感器部3充分大，因此，能够抑制产生由轴S的轴抖动引起的旋转角度的检测误差。再有，磁铁2具有：具有第二面2B的基部21、和具有第一面2A且从基部21朝向第一面2A侧突出的凸部22，且根据径向的磁场强度Hr及周向的磁场强度Hθ计算旋转角度检测值θs，因此，也能够降低磁铁2的体积。
以上说明的实施方式是为容易理解本发明而记载的，不是为限定本发明而记载的。因此，上述实施方式公开的各元件是也包含属于本发明技术范围内的全部设计变更或均等物的意思。
例如，在上述实施方式中，磁传感器部3也可以检测径向的磁场强度Hr及周向的磁场强度Hθ中的任一方和沿着轴S的旋转轴C的方向的磁场强度Hz，且基于径向的磁场强度Hr及周向的磁场强度Hθ中的任一方和沿着轴S的旋转轴C的方向的磁场强度Hz，由旋转角度检测部4计算出旋转角度检测值θs。
【实施例】
下面，举出实施例等对本发明进一步进行详细说明，但本发明不受下述的实施例等任何限定。
〔实施例1〕
在具有图1A及图2所示的结构的磁铁2中，通过使用有限元法(FEM)的模拟，求出该磁铁2的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。此外，设磁铁2的基部21的厚度T21为2.25mm，设凸部22的厚度T22为2.75mm，设从侧面2C至立起位置P的长度L为2.0mm，设第一面2A的直径D2A为12mm，设第二面2B的直径D2B为28mm，设倾斜侧面2D的倾斜角度θ2D为25°，设体积为1.86cm3(基部21和凸部22的体积比(V21：V22)＝1：0.46)。图13表示结果。
〔实施例2〕
除使用具有图3所示的结构的磁铁2以外，与实施例1同样，通过模拟，求出磁铁2的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。此外，设磁铁2的基部21的厚度T21为1.1mm，设凸部22的厚度T22为3.9mm，设第一面2A的直径D2A为14.4mm，设第二面2B的直径D2B为28mm，设倾斜侧面2D的倾斜角度θ2D为30°，设体积为1.75cm3(基部21和凸部22的体积比(V21：V22)＝1：1.75)。图14表示结果。
〔实施例3〕
设磁铁2的基部21的厚度T21为1.8mm，设凸部22的厚度T22为3.2mm，设体积为2.08cm3(基部21和凸部22的体积比(V21：V22)＝1：0.95)，除此以外，与实施例2同样，通过模拟，求出磁铁2的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。图15表示结果。
〔实施例4〕
设磁铁2的倾斜侧面2D的倾斜角度θ2D为45°，设体积为2.41cm3(基部21和凸部22的体积比(V21：V22)＝1：1.44)，除此以外，与实施例3同样，通过模拟，求出磁铁2的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。图16表示结果。
〔实施例5〕
设磁铁2的基部21的厚度T21为0.6mm，设凸部22的厚度T22为4.4mm，设体积为2.04cm3(基部21和凸部22的体积比(V21：V22)＝1：6.24)，除此以外，与实施例4同样，通过模拟，求出磁铁2的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。图17表示结果。
〔实施例6〕
除使用具有图4所示的结构的磁铁2以外，与实施例1同样，通过模拟，求出磁铁2的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。此外，设磁铁2的厚度(凸部22的厚度T22)为5mm，设第一面2A的直径D2A为12mm，设第二面2B的直径D2B为28mm，设倾斜侧面2D的倾斜角度θ2D为32°，设体积为14.03cm3。图18表示结果。
〔实施例7〕
除使用具有图5所示的结构的磁铁2以外，与实施例1同样，通过模拟，求出磁铁2的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。此外，设磁铁2的基部21的厚度T21为2.0mm，设凸部22的厚度T22为2.0mm，设从侧面2C至立起位置P的径向的长度为4mm，设第一面2A的直径D2A为20mm，设第二面2B的直径D2B为28mm，设体积为1.66cm3(基部21和凸部22的体积比(V21：V22)＝1：0.47)。图19表示结果。
〔实施例8〕
设磁铁2的基部21的厚度T21为3.25mm，设体积为2.45cm3(基部21和凸部22的体积比(V21：V22)＝1：0.32)，除此以外，与实施例1同样，通过模拟，求出磁铁2的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。图20表示结果。
〔实施例9〕
设磁铁2的基部21的厚度T21为4.25mm，设体积为2.99cm3(基部21和凸部22的体积比(V21：V22)＝1：0.24)，除此以外，与实施例1同样，通过模拟，求出磁铁2的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。图21表示结果。
〔比较例1〕
除使用具有图23A及图23B所示的结构的磁铁200以外，与实施例1同样，通过模拟，求出磁铁200的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。此外，设磁铁200的厚度为3mm，设直径为28mm，设体积为16.96cm3。图22表示结果。
图13～22是表示通过实施例1～9及比较例1的模拟求出的、磁铁2、200的外周缘部附近的角度误差分布的图。图13～22中，磁铁2、200的周围的亮度最低的区域(深灰色的区域)是径向及周向的磁场强度Hr、Hθ低于15mT的区域，亮度最高的区域(明亮的区域)是径向及周向的磁场强度Hr、Hθ为20mT以上的区域，两者的中间亮度的区域(浅灰色的区域)是径向及周向的磁场强度Hr、Hθ为15mT以上且低于20mT的区域。由虚线包围的区域是角度误差良好的区域，且是具有可由磁传感器部3检测的磁场强度(磁场强度Hr、Hθ＝20～80mT)的区域，且是可成为可配置磁传感器的区域5的区域。
由图13～22所示的结果可知，在实施例1～9中，可以基于圆形的假想平面Vf上的规定的位置的径向和/或周向的磁场强度Hr、Hθ精确地检测旋转角度。另外，由图14～16所示的结果可知，即使倾斜侧面2C的倾斜角度变化，能够精确地检测旋转角度的区域(可配置磁传感器的区域5)的位置也没有变动。再有，由图13～22所示的结果可知，在实施例1～9中，与磁铁2的形状等无关，能够精确地检测旋转角度的区域(可配置磁传感器的区域5)的位置没有变动。另外，由图13～21所示的结果可知，磁铁2的凸部22从侧面2C比径向内侧的位置更向第一面2A突出，由此，可降低旋转角度的检测误差。再有，由图13、图20及图21所示的结果可知，伴随着磁铁2的基部21的体积比增大，可配置磁传感器的区域5的大小增大。

Claims (9)

1.一种旋转角度检测装置，其特征在于，
具备：
磁铁，其以伴随着旋转体的旋转而能够与其旋转轴一体地旋转的方式设置，沿着所述旋转轴观察时的形状实质上为圆形；
磁传感器部，其基于伴随着所述磁铁的旋转的磁场的方向的变化，输出传感器信号；
旋转角度检测部，其基于由所述磁传感器部输出的所述传感器信号，检测所述旋转体的旋转角度，
所述磁铁具有与所述旋转轴实质上正交的第一面和与该第一面相对且在沿着所述旋转轴的轴向观察时物理上包含所述第一面的大小的第二面，包含具有所述第二面的基部和具有所述第一面且从所述基部朝向所述第一面侧突出的凸部，且具有与所述旋转轴正交的方向的磁化矢量成分，
在将与所述旋转轴正交且以所述旋转轴为中心的圆形的假想平面设定于所述磁铁的附近时，所述磁传感器部被设置于所述假想平面上的径向的磁场强度Hr及周向的磁场强度Hθ的振幅相互实质上相同且与所述磁铁的所述第二面相对的位置，且至少将所述径向的磁场强度Hr及所述周向的磁场强度Hθ的任一方作为所述传感器信号而输出。
2.根据权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述基部具有与所述第二面的外周缘部连续且与所述旋转轴实质上平行的侧面。
3.根据权利要求2所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述凸部从比所述基部的所述侧面更靠近所述磁铁的径向内侧的位置朝向所述第一面侧突出。
4.根据权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述凸部从所述基部朝向所述第一面侧，以向所述磁铁的径向内侧倾斜的方式突出。
5.根据权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述基部和所述凸部的体积比为1：0.2以上。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述磁传感器部在从所述旋转角度检测装置的侧面观察时，被设置于通过所述第一面的外周缘部的与所述旋转轴平行的第一线段和通过所述第二面的外周缘部的与所述旋转轴平行的第二线段之间。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述磁传感器部包含TMR元件、GMR元件、AMR元件或霍尔元件。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
具备多个所述磁传感器部，
所述多个磁传感器部中的至少两个沿着所述假想平面上的周向以所述旋转轴为中心并以实质上(180/M)°的间隔配置，其中，M为2以上的整数。
9.根据权利要求8所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述各磁传感器部将所述径向的磁场强度Hr或所述周向的磁场强度Hθ作为所述传感器信号而输出。
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