JP4947321B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に自動車のステアリングなどの回転体の回転角度を検出するための回転角度検出装置に関するものである。

従来、磁気抵抗効果素子を用いた回転角度検出装置の一例が図９に示される。
図９において、シャフト１００は、図示していないベアリングによって軸芯Ｏを中心に矢印Ｍ方向に回転自在に支持されている。このシャフト１００の一方の端部には、円板状の永久磁石２００が固着されている。永久磁石２００は図示のごとくその円周上の一端がＮ極となり他端がＳ極となるように面内方向に着磁されている。これにより、シャフト１００の回転に伴い永久磁石２００の磁界方向が回転するようになっている。

この永久磁石２００と対向するように、所定の間隙を空けて磁気抵抗効果素子を備える磁界検出部３００が配置されている。磁界検出部３００は、軸芯Ｏ上に配置され、図示しないケーシングにより固定されている。

磁界検出部３００は、例えば、４つの磁気抵抗効果素子を用いて、いわゆるホイートストンブリッジを形成するように構成されている。磁気抵抗効果素子は、磁化固定層とフリー層とを有する積層体構造をなしており、各素子における磁化固定層の向きを所定方向に設定することにより、シャフト１の回転に伴う永久磁石２００の磁界方向の回動角度に応じて、ブリッジ中央間の出力電圧がｓｉｎ波、あるいはｃｏｓ波として出力されるようになっている。この出力電圧の波形が、回転角度を検出する部分として利用される。

しかしながら、永久磁石２００は、その円周上の一端がＮ極となり他端がＳ極となるように着磁されている。図１０に示されるように、現実の磁界方向は、Ｎ−Ｓに沿った磁石の中央部ではＮ−Ｓの真っ直ぐな磁場（磁力線）が得られるのに対して、Ｎ−Ｓに沿った磁石の中央部から左右に外れてくると磁場（磁力線）は湾曲して徐々に反れていく傾向にある。

従って、磁界検出部３００の中心位置と、永久磁石２００の中心位置とが理想的に合致して、芯ズレが全く生じていない場合には、出力電圧波形（例えば、ｓｉｎ波）における、角度位置と出力電圧の関係は正常であり、出力電圧をみれば正確な角度位置が検出できる。

特公平７−１１９６１９号公報 特開２００６−２９７９２号公報 特許第３０１７０６１号公報

しかしながら、磁界検出部３００の中心位置と永久磁石２００の中心位置とにわずかなズレが生じてしまった場合、すなわち、Ｎ−Ｓに沿った磁石の中央部から左右に外れて湾曲した磁力線を利用することとなった場合には、出力電圧波形（例えば、ｓｉｎ波）における、角度位置と出力の関係は正常な状態からズレを生じてしまい、正確な角度位置が検出できなくなってしまうという不都合が生じる。角度の検出精度を高めるには、磁石２００から発せられる磁場の角度分布をできるだけ一様な方向にすることが必要となる。

サイズの大きい磁石を用いれば、磁石から発せられる磁場の角度分布を一様な方向とすることができるエリアを拡大させることができるが、それでは磁石のコストが高くなってしまうという不都合がある。また、磁気特性に優れる磁石の中には、製造上、焼成して作ることのできる磁石の大きさに制限があるものもある。

従って、磁界検出部３００と対向する永久磁石２００の表面積を同じとした場合を考えるに、永久磁石２００から発せられる磁場の角度分布を一様な方向とすることができるエリアが大きいことが、双方の芯ズレ誤差の許容範囲を拡大させるという観点から、および、磁石の小型化を図るという観点から特に望ましい。

このような実状のもとに、本発明は創案されたものであって、その目的は、磁石から発せられる磁場の角度分布を一様な方向とすることができるエリアを拡張させることによって、磁界検出部と永久磁石との芯ズレ誤差の許容範囲を拡大させることができ、さらには小型への技術展開も可能である回転角度検出装置を提供することにある。

このような課題を解決するために、本願発明は、軸芯を中心に回転自在に支持されたシャフトと、前記シャフトの一方の端面に固着された永久磁石と、前記永久磁石と一定の間隙をおいて対向するように配置された磁界検出部と、を有する回転角度検出装置であって、前記永久磁石は、直方体形状をなしており、磁界検出部に対向する長方形の対向面（短軸側をＸ方向、長軸側をＹ方向とする）において短軸方向（Ｘ方向）に着磁されており、磁界検出部と対向する永久磁石の長方形形状の短軸方向（Ｘ方向）の長さをＬｘ（ｍｍ）、長軸方向（Ｙ軸方向）の長さをＬｙ（ｍｍ）とした場合、これらの比であるＬｙ／Ｌｘ＝２.４〜４であるように構成される。

本発明の回転角度検出装置の好ましい態様として、前記永久磁石は、その重心位置が前記シャフトの軸芯の延長線上と一致するように、固着されて構成される。

本発明の回転角度検出装置の好ましい態様として、前記磁界検出部は、前記シャフトの回転角度を検出するためのものであって、４つの抵抗部を用いて略矩形状に接続された第１のホイートストンブリッジと、４つの抵抗部を用いて略矩形状に接続された第２のホイートストンブリッジとを有し、前記各４つの抵抗部は、それぞれ、１又は２以上の磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いて構成されており、前記第１のホイートストンブリッジによって、出力電圧−回転角度の関係がｓｉｎ（サイン）波形として得られるようになっており、前記第２のホイートストンブリッジによって、出力電圧−回転角度の関係が、前記ｓｉｎ（サイン）波形から位相が９０°ずれたｃｏｓ（コサイン）波形として得られるように構成される。

本発明の回転角度検出装置の好ましい態様として、前記磁界検出部は、前記シャフトの回転角度を検出するためのものであって、４つの抵抗部を用いて略矩形状に接続された第１のホイートストンブリッジと、４つの抵抗部を用いて略矩形状に接続された第２のホイートストンブリッジとを有し、前記各４つの抵抗部は、それぞれ、１又は２以上のトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）を用いて構成されており、前記第１のホイートストンブリッジによって、出力電圧−回転角度の関係がｓｉｎ（サイン）波形として得られるようになっており、前記第２のホイートストンブリッジによって、出力電圧−回転角度の関係が、前記ｓｉｎ（サイン）波形から位相が９０°ずれたｃｏｓ（コサイン）波形として得られるように構成される。

本発明の回転角度検出装置の好ましい態様として、前記トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）は、フリー層とピンド層とでバリア層を挟んだ素子要部形態を有しており、第１のホイートストンブリッジにおいて、接続され隣接するトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）のピンド層の磁化方向は１８０°反転した状態となっており、第２のホイートストンブリッジにおいて、接続され隣接するトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）のピンド層の磁化方向は１８０°反転した状態となっているように構成される。

本発明の回転角度検出装置の好ましい態様として、前記磁界検出部と対向する永久磁石の長方形形状の短軸方向（Ｘ方向）の長さをＬｘ（ｍｍ）、長軸方向（Ｙ軸方向）の長さをＬｙ（ｍｍ）とした場合、これらの面積を表す積Ｌｘ・Ｌｙ＝４〜９００であるように構成される。

本発明の回転角度検出装置の好ましい態様として、前記永久磁石は、ネオジム・鉄・ボロン系、サマリウム・コバルト系、フェライト系磁石であるように構成される。

本発明の回転角度検出装置は、軸芯を中心に回転自在に支持されたシャフトと、前記シャフトの一方の端面に固着された永久磁石と、前記永久磁石と一定の間隙を空けて対向するように配置された磁界検出部と、を有し、前記永久磁石は、直方体形状をなしており、磁界検出部に対向する長方形の対向面（短軸側をＸ方向、長軸側をＹ方向とする）において短軸方向（Ｘ方向）に着磁されて構成されているので、同一面積の対向面で考えた場合に、永久磁石から発せられる磁場の角度分布を一様な方向とすることができるエリアを拡張させることができる。これにより、磁界検出部と永久磁石との芯ズレ誤差の許容範囲を拡大させることができる。同じ芯ズレ誤差の許容範囲の性能をもつものであれば磁石の小型化が図れ、コストダウンに繋がる。また、永久磁石と磁界検出部を近接させた一定の間隙において、極めて高い面内磁場強度が得られ、この点からも磁石の小型化に有利に働く。

図１は、軸芯を中心に回転自在に支持されたシャフトの一方の端面に永久磁石が固着され、この永久磁石と一定の間隙を空けて対向するように配置された磁界検出部を有する回転角度検出装置の要部構造を模式的に示した概略斜視図である。 図２は、磁界検出部の構成の一例を示すものであり、４つの抵抗部（各抵抗部は、１又は２以上の磁気抵抗効果素子（ＭＲ）を用いて構成されている）を用い、これらを略矩形状に接続して形成した第１のホイートストンブリッジを構成する例を示したものである。 図３は、磁界検出部の構成の一例を示すものであり、４つの抵抗部（各抵抗部は、１又は２以上の磁気抵抗効果素子（ＭＲ）を用いて構成されている）を用い、これらを略矩形状に接続して形成した第２のホイートストンブリッジを構成する例を示したものである。 図４は、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）の素子要部形態を模式的に示した断面図である。 図５は、４つの抵抗部（各抵抗部は、１又は２以上の磁気抵抗効果素子（ＭＲ）を用いて構成されている）を用い、これらを略矩形状に接続して形成したホイートストンブリッジを構成した場合の回転角度と出力の関係を示す図面である。 図６は、磁石−センサ間距離と、センサ面内磁場強度との関係を示すグラフであり、パラメータは、センサ面の面積が同じでかつ形状の異なる磁石である。 図７は、磁石−センサ間距離と、センサ面内磁場強度と関係を示すグラフであり、パラメータは、本発明としての要件を備える磁石である。 図８（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、図６のパラメータとして挙げた種々の磁石に対して、磁石のＸ−Ｙ平面から３ｍｍの間隙を空けた１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの平面の位置における磁石から発せられる磁界方向分布であって、中央の十字状の面積部分がＸ軸に対して理想的な磁界方向を示しているエリアであって誤差０〜１．２度(deg.)の範囲である。点線が磁石の形状（Ｘ−Ｙ平面）を示している。 従来の回転角度検出装置の一例を説明するための概略斜視図である。 従来の問題点を説明するための図面であって、磁石の磁界方向の分布を模式的に示した図である。

以下、本発明の回転角度検出装置の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の回転角度検出装置１の要部構造を模式的に示した概略斜視図である。
図１に示されるように、本発明の回転角度検出装置１は、軸芯Ｐ（一点鎖線で描かれている）を中心に回転自在に支持されたシャフト１０と、このシャフト１０の一方の端面１１に固着された永久磁石２０と、この永久磁石２０と一定の間隙を空けて対向するように配置された磁界検出部３０を有して構成されている。

本発明において、永久磁石２０と磁界検出部３０（磁界検出部は、以下、単に「センサ」と呼ぶこともある）との間隙Ｇは、用いる永久磁石２０の磁気特性や磁界検出部３０の検出性能等に応じて適宜選定すればよい。例えば、磁界検出部３０であるセンサ面内の磁場強度が、所望の２００ Ｏｅ以上、好ましくは３００ Ｏｅ以上のものが得られように間隙Ｇを設定することが望ましい。一般的に、この間隙Ｇは、フェライト系磁石なら１〜４ｍｍ、ネオジム・鉄・ボロン系磁石なら１〜９ｍｍの範囲内に設定される。

〔永久磁石２０の説明〕
本発明における永久磁石２０は、図１に示されるごとく、直方体形状をなしている。

説明の便宜上、図示のごとく直方体形状の永久磁石２０の磁界検出部３０に対向する長方形の対向面２１をＸ（軸）−Ｙ（軸）平面として、短軸側をＸ方向、長軸側をＹ方向とする。厚さ方向をＺ軸方向とする。このようにＸＹＺを規定した場合、本発明における永久磁石２０は、短軸方向（Ｘ方向）に着磁されている。

また、永久磁石２０は、その重心位置が前記シャフト１０の軸芯Ｐの延長線上と一致するような状態で、固着されていることが望ましい。

より具体的に、永久磁石２０の対向面２１の短軸方向（Ｘ方向）の長さをＬｘ（ｍｍ）、長軸方向（Ｙ軸方向）の長さをＬｙ（ｍｍ）とした場合、これらの面積を表す積Ｌｘ・Ｌｙ＝４〜９００ｍｍ²の範囲とされる。さらに、これらの比であるＬｙ／Ｌｘ＝２〜２１の範囲とされる。永久磁石の厚さ方向（Ｚ軸方向）の厚さＬｚは、センサに対して必要な磁場強度を確保できるように設定すればよい。

積Ｌｘ・Ｌｙの値が、４ｍｍ²未満となると、磁界検出部と永久磁石との芯ズレ誤差の許容範囲が狭くなるという不都合が生じる傾向があり、さらには磁場強度が弱くなってしまう。積Ｌｘ・Ｌｙの値が、９００ｍｍ²を超えると小型化および低コスト化を図るという目的から反れてしまう。また、磁石の製造可能な大きな制限にかかる場合もある。

また、Ｌｙ／Ｌｘの値が２未満となり小さくなりすぎてしまうと、本発明の効果が発現しにくくなるという不都合が生じる傾向がある。

これとは反対に、Ｌｙ／Ｌｘの値が２１を超えると、磁石の回転軌道面積が大きくなるという不都合が生じ得る傾向がある。

具体的なＬｘの範囲は、２〜１５ｍｍ程度、Ｌｙの範囲は、４〜３０ｍｍ程度、Ｌｚの範囲は、２〜１０ｍｍ程度とされる。

このような永久磁石２０は、ネオジム・鉄・ボロン系、サマリウム・コバルト系、フェライト系磁石から構成することが好ましい。

このような永久磁石２０の磁気特性は、残留磁束密度Ｂｒ＝２〜１５ｋＧ程度、保磁力＝２．５〜４０ｋＯｅ、最大エネルギー積（ＢＨ）max＝１〜５０ＭＧＯｅ程度とされる。

また、本発明における永久磁石２０を短軸方向（Ｘ方向）に着磁させる手法としては、特に、制限はなく、例えば、異方性磁石ならば短軸方向が磁化容易軸となるよう所望の形状に加工した後、静磁場着磁もしくはパルス着磁によって磁化させる等の手法が用いられる。

〔磁界検出部３０の説明〕
本発明における磁界検出部３０は、前記シャフト１０の回転角度を検出するためのものである。磁界検出部３０の好適な一例を挙げると、磁界検出部３０は、例えば、図２に示されるような第１のホイートストンブリッジ３１と、図３に示されるような第２のホイートストンブリッジ３２とを有して構成されている。

第１のホイートストンブリッジ３１
第１のホイートストンブリッジ３１は、図２に示されるごとく４つの抵抗部３１１，３１２，３１３，３１４が略矩形状に接続されて構成されている。これらの各抵抗部３１１，３１２，３１３，３１４は、それぞれ、１又は２以上のトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）を用いて構成されている。４つの抵抗部の結合端子ａおよび結合端子ｃが電源に接続され、結合端子ｂおよび結合端子ｄにおける出力電圧が測定されるようになっている。

各抵抗部３１１，３１２，３１３，３１４に組み込まれるトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）は、それぞれ、図４に示されるようなバリア層５をフリー層４とピンド層６とで挟んだ素子要部形態を有して構成されている。フリー層４は、外部磁界に応じて磁化の方向が変化するように機能する磁性層である。ピンド層６は、磁化の方向が固定された磁性層であって、例えば、ピンニング作用を果たす反強磁性層を併設することによって磁化固定がなされる。バリア層５は、トンネル磁気抵抗効果によりスピンを保存しながら電子が通過できる膜であり、Ａｌ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒの酸化物や窒化物等を用いることができる。

図２に示される第１のホイートストンブリッジ３１において、４つの抵抗部にそれぞれ組み込まれているトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）のピンド層６（図４）の固定された磁化方向が矢印６１１、６１２、６１３、６１４として描かれている。この第１のホイートストンブリッジ３１において、接続され隣接するトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）のピンド層６の磁化方向は図面の上下方向に１８０°反転した状態となっている。そのため、対向位置に配置されたトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）のピンド層６の固定された磁化方向６１１と６１３；ならびに６１２と６１４とは同じ固定方向である。この場合において、検出すべき磁界８（永久磁石２０の磁界）が最初に図２の図面の水平方向に位置しており、この状態から点線にそって回転した場合、回転角度θと結合端子ｂおよび結合端子ｄにおける出力電圧との関係は、図５のｓｉｎ波形（正弦波形）として描かれる。

第２のホイートストンブリッジ３２
第２のホイートストンブリッジ３２は、図３に示されるごとく４つの抵抗部３２１，３２２，３２３，３２４が略矩形状に接続されて構成されている。これらの各抵抗部３２１，３２２，３２３，３２４は、それぞれ、１又は２以上のトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）を用いて構成されている。４つの抵抗部の結合端子ａおよび結合端子ｃが電源に接続され、結合端子ｂおよび結合端子ｄにおける出力電圧が測定されるようになっている。

各抵抗部３２１，３２２，３２３，３２４に組み込まれるトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）は、前述したトンネル磁気抵抗効果素子と同様に、それぞれ、図４に示されるようなバリア層５をフリー層４とピンド層６とで挟んだ素子要部形態を有している。これらの層についての説明は上述した通りである。

図３に示される第１のホイートストンブリッジ３２において、４つの抵抗部にそれぞれ組み込まれているトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）のピンド層の固定された磁化方向が矢印６２１、６２２、６２３、６２４として描かれている。この第２のホイートストンブリッジ３２において、接続され隣接するトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）のピンド層の磁化方向は図面の左右方向に１８０°反転した状態となっている。そのため、対向位置に配置されたトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）のピンド層の固定された磁化方向６２１と６２３；ならびに６２２と６２４とは同じ固定方向である。この場合において、検出すべき磁界８（永久磁石２０の磁界）が最初、図３の図面の水平方向に位置しており、この状態から点線にそって回転した場合、回転角度θと結合端子ｂおよび結合端子ｄにおける出力電圧との関係は、図５のｃｏｓ波形（余弦波形）として描かれる。

図５におけるｓｉｎ波形とｃｏｓ波形とを併用することにより、同じ電圧であっても角度の正確な検出ができ、回転角度を正確に認識することが可能となる。

なお、上記のトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）は、特に好適な素子として実施例に挙げているが、いわゆる磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）であれば、ＡＭＲでもＧＭＲ（ＣＩＰ、ＣＰＰ）でも構わないし、ホール素子を用いたホールセンサでも適応可能である。

以上の構成を基に、本願発明の回転角度検出装置の作用を簡単に説明する。

回転運転の動作によりシャフト１０が回転すると、この回転に伴い、シャフトの一方の端面１１に固着された永久磁石２０の磁界が変化する。この変化する磁界を磁界検出部３０が検出して、図５に示されるようなｓｉｎ波形（正弦波形）の出力信号とｃｏｓ波形（余弦波形）の出力信号が、制御手段に入力されるようになっている。この制御手段によって、入力されたｓｉｎ波形信号とｃｏｓ波形信号が演算され、回転するシャフトの回転角度が検知される。本発明においては、用いられる永久磁石が直方体形状をなしており、磁界検出部に対向する長方形の対向面において短軸方向に着磁されて構成されているので、永久磁石から発せられる磁場の角度分布を一様な方向とすることができるエリアを拡張させることができる。これにより、磁界検出部と永久磁石との芯ズレ誤差の許容範囲を拡大させることができる。

見方を変えれば、同じ芯ズレ誤差の許容範囲の性能をもつものであれば磁石の小型化が図れ、コストダウンに繋がる。また、永久磁石と磁界検出部を近接させた一定の間隙において、極めて高い面内磁場強度が得られ、この点からも磁石の小型化に有利に働く。

以下、本発明の回転角度検出装置に関する具体的実験例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
〔実験例Ｉ〕

検出対象の磁界を発生させる永久磁石２０として、以下のＸ，Ｙ，Ｚ寸法を有する種々の形態の磁石を準備した。Ｘ−Ｙ平面が磁界検出部と対向する対向面であり、Ｚが厚さ方向である。

対向面であるＸ−Ｙ平面の面積は、１００ｍｍ²で各サンプルにおいて一定とした。
磁性材料は、ストロンチウム系異方性フェライト磁石で構成し、各サンプルにおいて同一の磁性材料とした。

永久磁石２０の着磁方向はＸ方向とした。すなわち、下記の比較例１ａおよび本発明２における磁石サンプルにおいては短軸方向への着磁となる。

（永久磁石２０の構成）
比較例１：対向面が正方形（Ｘ＝１０ｍｍ；Ｙ＝１０ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ）
Ｌｘ＝１０、Ｌｙ＝１０であり、Ｌｙ／Ｌｘ＝１

比較例１ａ：対向面が長方形（Ｘ＝８ｍｍ；Ｙ＝１２．５ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ）
Ｌｘ＝８、Ｌｙ＝１２.５であり、Ｌｙ／Ｌｘ＝１．５６

本発明２：対向面が長方形（Ｘ＝５ｍｍ；Ｙ＝２０ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ）
Ｌｘ＝５、Ｌｙ＝２０であり、Ｌｙ／Ｌｘ＝４

比較例２：対向面が円形（半径Ｒ＝５．６４ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ）

このような４種類の磁石を用いて、磁石２０−センサ３０（磁界検出部３０と同義）間距離（ｍｍ）と、当該距離におけるセンサ面内磁場強度（Ｏｅ）との関係を、有限要素法によるシミュレーションによって計算した。

これらの計算結果を図６のグラフに示した。

図６に示されるグラフより、Ｘ−Ｙ面積が一定で縦横比を変えた場合には、縦長になる程（着磁方向は横方向（Ｘ方向））、磁石−センサ間が近距離（特に４ｍｍ以下、さらには３ｍｍ以下）でセンサ面内磁場強度（Ｏｅ）が強くなることが分る。また、比較例２の円形磁石は、比較例１の正方形磁石とほぼ同じ磁場強度になっていることが分る。

これらのことより、本願発明の回転角度検出装置において、本願所望の磁石を用いれば、磁石−センサ間を近距離とした場合に特に有利に作用しており、より理想的な設計に近づけることができる。

〔実験例II〕
上記実験例Ｉで用いた本発明２のサンプル（対向面が長方形（Ｘ＝５ｍｍ；Ｙ＝２０ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ））を基準として、さらに、Ｙ方向を短くして小型化を図った下記の本発明３および本発明４のサンプルをそれぞれ作製した。

本発明３：対向面が長方形（Ｘ＝５ｍｍ；Ｙ＝１５ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ）
Ｌｘ＝５、Ｌｙ＝１５であり、Ｌｙ／Ｌｘ＝３

本発明４：対向面が長方形（Ｘ＝５ｍｍ；Ｙ＝１２ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ）
Ｌｘ＝５、Ｌｙ＝１２であり、Ｌｙ／Ｌｘ＝２．４

着磁方向は短軸方向（Ｘ方向）とした。

上記実験例Ｉの場合と同様の要領にて、磁石２０−センサ３０（磁界検出部３０と同義）間距離（ｍｍ）と、当該距離におけるセンサ面内磁場強度（Ｏｅ）との関係を求めた。

これらの実験結果を図７のグラフに示した。

図７に示されるグラフより、短軸であるＸ方向を５ｍｍで一定とし、長軸であるＹ方向を短くして、Ｌｙ／Ｌｘ＝３、Ｌｙ／Ｌｘ＝２．４としても磁場強度はほんど変わらないことが確認できた。

〔実験例III〕
上記実験例Ｉで用いた４種類の磁石を用いて、磁石２０のＸ−Ｙ平面（表面）から上方に３ｍｍ間隔を空けた１０ｍｍ×１０ｍｍのエリアにおける磁化方向分布を、有限要素法によるシミュレーションによって計算した。

図８（ａ）は、本発明２（対向面が長方形（Ｘ＝５ｍｍ；Ｙ＝２０ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ））の磁石を用いたものであり、紙面の下方３ｍｍのところに磁石のＸ−Ｙ表面があると想定して頂きたい（５ｍｍ×２０ｍｍの大きさの磁石のＸ−Ｙ表面は、図８（ａ）において点線で示されている）。紙面の位置が磁化方向分布測定の１０ｍｍ×１０ｍｍのエリアと想定して頂きたい。

図８（ａ）の１０ｍｍ×１０ｍｍのエリア（実線）において、Ｘ軸およびＹ軸に沿うように十字状に描かれている斜線の領域がＸ軸（着磁方向）に対して理想的な磁界方向を示しているエリアであって理想的な磁化方向から誤差０〜１．２度(deg.)の範囲である。この範囲の特に中央部が広ければ広いほど、磁界検出部３０の芯ズレを許容できる範囲が広いと言える。なお、誤差１．２度(deg.)から２１．８度(deg.)の範囲までにおける約１度(deg.)刻みでのエリア群の表示もできるが、ここでは、発明の理解のために必要なエリアのみの表示としている。

図８（ｂ）は、比較例１ａ（対向面が長方形（Ｘ＝８ｍｍ；Ｙ＝１２．５ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ））の磁石を用いたものであり、紙面の下方３ｍｍのところに磁石のＸ−Ｙ表面があると想定して頂きたい（８ｍｍ×１２．５ｍｍの大きさの磁石のＸ−Ｙ表面は、図８（ｂ）において点線で示されている）。紙面の位置が磁化方向分布測定の１０ｍｍ×１０ｍｍのエリアと想定して頂きたい。

図８（ｂ）の１０ｍｍ×１０ｍｍのエリア（実線）において、Ｘ軸およびＹ軸に沿うように十字状に描かれている斜線の領域がＸ軸（着磁方向）に対して理想的な磁界方向を示しているエリアであって誤差０〜１．２度(deg.)の範囲である。

図８（ｃ）は、比較例１（対向面が正方形（Ｘ＝１０ｍｍ；Ｙ＝１０ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ））の磁石を用いたものであり、紙面の下方３ｍｍのところに磁石のＸ−Ｙ表面があると想定して頂きたい（１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの磁石のＸ−Ｙ表面は、図８（ｃ）において点線で示されている）。紙面の位置が磁化方向分布測定の１０ｍｍ×１０ｍｍのエリアと想定して頂きたい。

図８（ｃ）の１０ｍｍ×１０ｍｍのエリア（実線）において、Ｘ軸およびＹ軸に沿うように十字状に描かれている斜線の領域がＸ軸（着磁方向）に対して理想的な磁界方向を示しているエリアであって誤差０〜１．２度(deg.)の範囲である。

図８（ｄ）は、比較例２（対向面が円形（半径Ｒ＝５．６４ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ））の磁石を用いたものであり、紙面の下方３ｍｍのところに磁石のＸ−Ｙ表面があると想定して頂きたい（半径Ｒ＝５．６４ｍｍの大きさの磁石のＸ−Ｙ表面は、図８（ｄ）において点線で示されている）。紙面の位置が磁化方向分布測定の１０ｍｍ×１０ｍｍのエリアと想定して頂きたい。

図８（ｄ）の１０ｍｍ×１０ｍｍのエリア（実線）において、Ｘ軸およびＹ軸に沿うように十字状に描かれている斜線の領域がＸ軸（着磁方向）に対して理想的な磁界方向を示しているエリアであって誤差０〜１．２度(deg.)の範囲である。

これらの結果より、Ｘ−Ｙ面積一定で、縦横比を変えた場合（正方形、長方形）、縦長にするほど、角度ズレを許容できるマージンが拡がるのが分る。

円形磁石も角度ズレを許容できるマージンが広いが、縦長磁石にするほうがさらに効果的であることが分る。また、円形磁石は製造上、どうしても製造コストが高くなってしまうという不都合がある。

なお、図８には示されていないが、比較例１（対向面が正方形（Ｘ＝１０ｍｍ；Ｙ＝１０ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ））よりもＸ−Ｙ面積の小さい本発明３（Ｘ＝５ｍｍ；Ｙ＝１５ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ））や本発明４（Ｘ＝５ｍｍ；Ｙ＝１２ｍｍ；Ｚ＝３ｍｍ）のほうが角度ズレを許容できるマージンが広いことが確認されている。

以上の実験結果より本発明の効果は明らかである。

すなわち、本発明は、用いられる永久磁石が直方体形状をなしており、磁界検出部に対向する長方形の対向面において短軸方向に着磁されて構成されているので、永久磁石から発せられる磁場の角度分布を一様な方向とすることができるエリアを拡張させることができる。これにより、磁界検出部と永久磁石との芯ズレ誤差の許容範囲を拡大させることができる。同じ芯ズレ誤差の許容範囲の性能をもつものであれば磁石の小型化が図れ、コストダウンに繋がる。また、永久磁石と磁界検出部を近接させた一定の間隙において、極めて高い面内磁場強度が得られ、この点からも磁石の小型化に有利に働く。

本発明の回転角度検出装置は、例えば、自動車産業、電子部品産業等の種々の技術分野で利用可能である。

１…回転角度検出装置
１０…シャフト
１１…シャフトの一方の端面
２０…永久磁石
２１…長方形の対向面
３０…磁界検出部
３１…第１のホイートストンブリッジ
３２…第２のホイートストンブリッジ

Claims (7)

1. 軸芯を中心に回転自在に支持されたシャフトと、
   前記シャフトの一方の端面に固着された永久磁石と、
   前記永久磁石と一定の間隙をおいて対向するように配置された磁界検出部と、を有する回転角度検出装置であって、
   前記永久磁石は、直方体形状をなしており、磁界検出部に対向する長方形の対向面（短軸側をＸ方向、長軸側をＹ方向とする）において短軸方向（Ｘ方向）に着磁されており、磁界検出部と対向する永久磁石の長方形形状の短軸方向（Ｘ方向）の長さをＬｘ（ｍｍ）、長軸方向（Ｙ軸方向）の長さをＬｙ（ｍｍ）とした場合、これらの比であるＬｙ／Ｌｘ＝２.４〜４であることを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記永久磁石は、その重心位置が前記シャフトの軸芯の延長線上と一致するように、固着されている請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記磁界検出部は、前記シャフトの回転角度を検出するためのものであって、４つの抵抗部を用いて略矩形状に接続された第１のホイートストンブリッジと、４つの抵抗部を用いて略矩形状に接続された第２のホイートストンブリッジとを有し、
   前記各４つの抵抗部は、それぞれ、１又は２以上の磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いて構成されており、
   前記第１のホイートストンブリッジによって、出力電圧−回転角度の関係がｓｉｎ（サイン）波形として得られるようになっており、
   前記第２のホイートストンブリッジによって、出力電圧−回転角度の関係が、前記ｓｉｎ（サイン）波形から位相が９０°ずれたｃｏｓ（コサイン）波形として得られるように構成されてなる請求項１または請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記磁界検出部は、前記シャフトの回転角度を検出するためのものであって、４つの抵抗部を用いて略矩形状に接続された第１のホイートストンブリッジと、４つの抵抗部を用いて略矩形状に接続された第２のホイートストンブリッジとを有し、
   前記各４つの抵抗部は、それぞれ、１又は２以上のトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）を用いて構成されており、
   前記第１のホイートストンブリッジによって、出力電圧−回転角度の関係がｓｉｎ（サイン）波形として得られるようになっており、
   前記第２のホイートストンブリッジによって、出力電圧−回転角度の関係が、前記ｓｉｎ（サイン）波形から位相が９０°ずれたｃｏｓ（コサイン）波形として得られるように構成されてなる請求項１または請求項２に記載の回転角度検出装置。
5. 前記トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）は、フリー層とピンド層とでバリア層を挟んだ素子要部形態を有しており、
   第１のホイートストンブリッジにおいて、接続され隣接するトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）のピンド層の磁化方向は１８０°反転した状態となっており、
   第２のホイートストンブリッジにおいて、接続され隣接するトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）のピンド層の磁化方向は１８０°反転した状態となっている請求項４に記載の回転角度検出装置。
6. 前記磁界検出部と対向する永久磁石の長方形形状の短軸方向（Ｘ方向）の長さをＬｘ（ｍｍ）、長軸方向（Ｙ軸方向）の長さをＬｙ（ｍｍ）とした場合、これらの面積を表す積Ｌｘ・Ｌｙ＝４〜９００である請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の回転角度検出装置。
7. 前記永久磁石は、ネオジム・鉄・ボロン系、サマリウム・コバルト系、フェライト系磁石である請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の回転角度検出装置。

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