旋转角度检测装置的制作方法

本发明涉及用于检测旋转体的旋转角度的旋转角度检测装置。

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31所示，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，目前提出了具备两个磁铁210和两个磁传感器元件(霍尔元件)310的旋转角度检测装置，如图32所示，该两个磁铁210以在轴s的轴向上隔开空隙的方式支承、固定于轴s(旋转轴)，具有第一面211及与该第一面相对的第二面212；两个磁传感器元件(霍尔元件)310在两个磁铁210的旋转轴方向上之间，配置于轴s的外周端和磁铁210的外周端之间(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：日本特开2006－47227号公报

在上述专利文献2记载的旋转角度检测装置中，因为在由两个磁铁210夹着的空间(轴s的外周端和磁铁210的外周端之间的空间)内，形成磁通线一齐朝向径向的封闭磁场，所以通过在形成有该封闭磁场的空间内配置两个磁传感器元件310，可实现如下效果：即使由于磁铁210的微小移动，旋转角度的检测误差也不会增大。

但是，在上述专利文献2记载的旋转角度检测装置中，因为由两个磁传感器元件(霍尔元件)310仅检测磁铁210的径向磁通，所以存在旋转角度的检测精度不充分之类的问题。另外，当设置两个磁传感器元件(霍尔元件)310的位置(磁铁210的径向的位置)相互偏离时，伴随着磁铁210的旋转而由各磁传感器元件(霍尔元件)310检测的磁通的振幅的大小不同，作为其结果，存在旋转角度的检测误差增大之类的问题。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题，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。

为了解决上述问题，本发明提供一种旋转角度检测装置，其特征为，具备：磁铁，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，具有与所述旋转轴正交的方向的磁化矢量成分；磁传感器部，基于伴随着所述磁铁的旋转的磁场变化，输出传感器信号；旋转角度检测部，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及与该第一面相对的第二面和遍及周向的全周而连续的凹侧面，在由所述凹侧面包围的空间内设定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时，所述磁传感器部位于由所述凹侧面包围的空间内，且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的振幅彼此实质上相同的位置，至少将所述径向的磁场强度hr及所述周向的磁场强度hθ中的任一方作为所述传感器信号而输出(发明1)。

在上述发明(发明1)中，在沿着所述旋转轴的轴向的所述磁铁的切断面中，所述凹侧面优选为向所述磁铁的径向外侧开口的大致u字状、大致v字状或大致コ字状(发明2)。

在上述发明(发明2)中，在沿着所述旋转轴的轴向的所述磁铁的切断面中，在将位于所述旋转轴的轴向的一侧的所述凹侧面部上的点即位于距所述旋转轴最远的位置的点设为第一点，且将位于所述旋转轴的轴向的另一侧的所述凹侧面部上的点即位于距所述旋转轴最远的位置的点设为第二点，并将位于所述凹侧面部上的最接近所述旋转轴的位置的点设为第三点时，连结所述第一点及所述第三点的第一直线和连结所述第二点及所述第三点的第二直线所成的角度优选为40～90°(发明3)。

在上述发明(发明1～3)中，所述磁铁优选为以通过所述旋转轴的轴向上的所述磁铁的中心点且与所述旋转轴正交的面为对称面的面对称形状(发明4)，所述磁传感器部更优选设置于所述对称面上(发明5)。

另外，本发明提供一种旋转角度检测装置，其特征在于，具备：第一磁铁及第二磁铁，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，分别具有与所述旋转轴正交的磁化矢量的成分；磁传感器部，基于伴随着所述第一磁铁及所述第二磁铁的旋转的磁场变化，输出传感器信号；旋转角度检测部，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，所述第一磁铁及所述第二磁铁分别具有与所述旋转轴实质上正交的第一面，以使所述第一面相互隔开规定间隔而相对的方式设置，在由包含所述第一磁铁的所述第一面的第一假想平面和包含所述第二磁铁的所述第一面的第二假想平面夹着的空间内设定与所述旋转轴正交且以所述旋转轴为中心的圆形的第三假想平面时，所述磁传感器部位于所述空间内，且设置于所述第三假想平面上的径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ的振幅彼此实质上相同的位置，至少将所述径向的磁场强度hr和所述周向的磁场强度hθ中的任一方作为所述传感器信号而输出(发明6)。

在上述发明(发明6)中，所述磁传感器部优选设置于所述第一假想平面和所述第二假想平面之间的所述旋转轴的轴向大致中央(发明7)。

在上述发明(发明6、7)中，所述磁传感器部优选设置于比所述第一磁铁及所述第二磁铁的所述第一面的外缘部更远离所述旋转轴的位置(发明8)。

在上述发明(发明6、7)中，所述第一磁铁及所述第二磁铁优选为以通过所述旋转轴的轴向上的所述各第一面间的中心点且与所述旋转轴正交的平面为对称面的面对称形状(发明9)。

在上述发明(发明6、7)中，在设定与所述旋转轴正交的平面，且分别利用第一箭头及第二箭头表示所述第一磁铁的磁化方向及所述第二磁铁的磁化方向，并在所述平面上投影所述第一箭头及所述第二箭头时，在所述平面上投影有所述第一箭头的第一投影箭头的方向和投影有所述第二箭头的第二投影箭头的方向优选彼此不同(发明10)，沿着所述第一投影箭头的第一线段和沿着所述第二投影箭头的第二线段所成的角度优选为(180/(n+1))°或(180×n/(n+1))°(n为1以上的整数)(发明11)。

在上述发明(发明1、2、3、6、7、10)中，作为所述磁传感器部，可使用包含tmr元件、gmr元件或amr元件的磁传感器部(发明12)。

在上述发明(发明1、2、3、6、7、10)中，优选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与所述旋转轴正交的正交面上的周向而以所述旋转轴为中心并实质上以(180/m)°(m为2以上的整数)的间隔配置(发明13)，所述各磁传感器部优选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14)。

根据本发明，能够提供一种可基于径向和/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1是表示本发明的第一实施方式所涉及的旋转角度检测装置的概略结构的截面图；

图2a～图2c是表示本发明的第一实施方式中的磁铁的概略结构的截面图；

图3a～图3c是表示本发明的第一实施方式中的磁铁的凹侧面的概略结构的截面图；

图4是表示本发明的第一实施方式中的磁铁的另一方式(其1)的截面图；

图5是表示本发明的第一实施方式中的磁铁的另一方式(其2)的截面图；

图6是表示本发明的第一实施方式中的磁铁的另一方式(其3)的截面图；

图7是表示本发明的第一实施方式中的磁铁的另一方式(其4)的截面图；

图8是表示本发明的第一实施方式中的磁铁的另一方式(其5)的截面图；

图9a是表示由本发明的第一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9b是表示由该磁传感器部检测的磁场强度(径向的磁场强度)的另一方式的概略图，图9c是表示由该磁传感器部检测的磁场强度(周向的磁场强度)的另一方式的概略图；

图10是概念性地表示由本发明的第一实施方式中的磁铁的凹侧面包围的空间内的径向及周向的磁场强度的图；

图11a是概略性地表示本发明的第一实施方式的磁铁和可配置磁传感器的区域的立体图，图11b是图11a的截面图；

图12是表示在本发明的第一及第二实施方式所涉及的旋转角度检测装置中检测的磁场强度的振幅的曲线图；

图13a及图13b是概略性地表示本发明的第一及第二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14是表示作为本发明的第一及第二实施方式的磁检测元件的mr元件的概略结构的立体图；

图15是概略性地表示本发明的第一及第二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16是表示本发明的第二实施方式所涉及的旋转角度检测装置的概略结构的截面图；

图17是表示本发明的第二实施方式的磁铁的概略结构的侧视图；

图18是表示本发明的第二实施方式的第一磁铁的磁化方向和第二磁铁的磁化方向的从第一磁铁的第二面侧看到的概略图；

图19是表示本发明的第二实施方式的磁铁的另一方式(其1)的截面图；

图20是表示本发明的第二实施方式的磁铁的另一方式(其2)的截面图；

图21是表示本发明的第一实施方式的磁铁的另一方式(其3)的截面图；

图22是表示本发明的第一实施方式的磁铁的另一方式(其4)的截面图；

图23a是概略性地表示本发明的第一实施方式的磁铁和可配置磁传感器的区域的立体图，图23b是图23a的截面图；

图24是表示实施例1的模拟结果的图；

图25是表示实施例2的模拟结果的图；

图26是表示实施例3的模拟结果的图；

图27是表示实施例4的模拟结果的图；

图28是表示实施例5的模拟结果的图；

图29是表示比较例1的模拟结果的图；

图30是表示试验例1的模拟结果的曲线图；

图31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32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)。

符号的说明

1旋转角度检测装置

2磁铁

21’第一磁铁

22’第二磁铁

2a、21a’、22a’第一面

2b、21b’、22b’第二面

2c凹侧面

21d’、22d’倾斜侧面

3磁传感器部

4旋转角度检测部。

具体实施方式

〔第一实施方式〕

参照附图，对本发明的第一实施方式进行详细的说明。图1是表示第一实施方式的旋转角度检测装置的概略结构的截面图，图2a～图2c是表示第一实施方式的磁铁的概略结构的截面图。

如图1所示，第一实施方式的旋转角度检测装置1具备：支承、固定于轴5且与轴5一体旋转的磁铁2、基于伴随着磁铁2的旋转的磁场的方向的变化而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15)。

磁铁2具有实质上与轴5的旋转轴c(轴心)正交的第一面2a、与第一面2a相对的第二面2b、遍及周向的全周而连续的凹侧面2c，以磁铁2的第一面2a及第二面2b的重心(中心)和轴5的旋转轴c一致的方式支承、固定于轴5。此外，磁铁2在与轴5的旋转轴c正交的方向(第一面2a及第二面2b的面内方向)上被磁化。在第一实施方式中，以在与旋转轴c正交的方向上被磁化的磁铁2为例，但不局限于这种方式。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)。

在第一实施方式中，磁铁2的凹侧面2c的形状在用包含轴5的旋转轴c的平面切断磁铁2时的截面中为向磁铁2的径向外侧开口的大致u字状(参照图1及图2a)，但不局限于这种方式，例如，也可以为大致v字状(参照图2b)、大致コ字状(参照图2c)。通过该形状为大致u字状、大致v字状或大致コ字状，如后所述，在由该凹侧面2c包围的空间内设定与旋转轴c正交且以旋转轴c为中心的圆形的假想平面vf时，形成该假想平面vf上的规定位置的径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ的振幅彼此实质上相同的区域。假想平面vf是以通过由磁铁2的凹侧面2c包围的空间内的方式任意设定的平面。

磁铁2的厚度t2没有特别限定，例如，可设定为5～15mm左右。当磁铁2的厚度t2低于5mm时，圆形的假想平面vf上的规定位置的径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ的振幅就会变小，旋转角度的检测灵敏度有可能下降，当超过15mm时，有可能难以降低旋转角度检测装置1的制造成本。

如图2a～图2c所示，第一实施方式的磁铁2由包含第一面2a的第一大径部21、包含第二面2b的第二大径部22、包含凹侧面2c及最小径部2min(凹侧面2c上的最接近轴5的部分)且位于第一大径部21及第二大径部22之间的小径部23构成。

如图3a～图3c所示，在用包含旋转轴c的平面切断磁铁2时的截面中，将位于旋转轴c的轴向的一侧(磁铁2的第一面2a侧、图3a～图3c中的上侧)的凹侧面2c上的点即位于距旋转轴c最远的位置的点设为第一点p1，将位于旋转轴c的轴向的另一侧(磁铁2的第二面2b侧、图3a～图3c中的下侧)的凹侧面2c上的点即位于距旋转轴c最远的位置的点设为第二点p2。然后，将位于凹侧面2c上的最接近旋转轴c的位置的点设为第三点p3。此外，在磁铁2的凹侧面2c为大致コ字状的情况下(参照图3c)，第三点p3是凹侧面2c中的大致平行于旋转轴c的侧面2ca上的位于旋转轴c的轴向的中央的点。

此时，连结第一点p1及第三点p3的第一直线l1和连结第二点p2及第三点p3的第二直线l2所成的角度θ12优选为40～90°。当该角度θ12低于40°时，就会在由凹侧面2c包围的空间内的径向的磁场强度hr的振幅和周向的磁场强度hθ的振幅上产生差异，旋转角度的检测误差有可能增大。当该角度θ12超过90°时，来源于凹侧面2c附近的磁性体的径向的磁场强度hr就会增强，有可能在径向的磁场强度hr的振幅和周向的磁场强度hθ的振幅上产生差异。另外，会导致磁铁2的体积增大，有可能招致制造成本的增大。另一方面，如果角度θ12为上述范围内，则能够使圆形的假想平面vf上的规定位置的径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ的振幅彼此实质上相同。此外，最小径部2min的直径dmin可设定为例如10～20mm左右，最大径部2max的直径dmax可设定为例如10～50mm左右。

如图2a～图2c所示，第一实施方式的磁铁2是以通过轴5的旋转轴c的轴向上的磁铁2的中心点(轴5的旋转轴c的轴向上的第一面2a和第二面2b之间的中间点)cp且与旋转轴c正交的面sf为对称面的面对称形状。通过磁铁2为这种面对称形状，能够在由截面大致u字形状、大致v字状、大致コ字状的凹侧面2c包围的空间内，形成圆形的假想平面vf上的规定位置的径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ的振幅彼此实质上相同的区域。

此外，第一实施方式的磁铁2不局限于图1及图2a～图2c所示方式。例如，也可以是第一大径部21及第二大径部22分别从比磁铁2的最外缘部更靠磁铁2的径向内侧的位置或从该最外缘部经由倾斜面2d、2e一边向第一面2a侧及第二面2b侧倾斜一边突出的构造(参照图4～5、图7～8)。另外，第一大径部21及第二大径部22也可以是实质上不具有厚度的构造(参照图6)。

第一实施方式的磁传感器部3设置于圆形的假想平面vf上的规定位置的径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ的振幅彼此实质上相同的位置。此外，在本实施方式中，如图9a所示，以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的方式为例，但不局限于该方式。例如，如图9b及图9c所示，也可以具备以轴5的旋转轴c为中心并以90°的间隔配置的两个磁传感器部3。在这种情况下，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9b)，也可以检测周向的磁场强度hθ(参照图9c)。另外，在设有多个磁传感器部3的情况下，只要多个磁传感器部3中的至少两个以轴5的旋转轴c为中心并实质上以(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。因为在从磁传感器部3输出的信号中含有m次的高频误差成分，但通过以旋转轴c为中心的(180/m)°的间隔设置磁传感器部3，能够去除该m次的高频误差成分，所以能够进一步降低旋转角度的检测误差。

在第一实施方式中，在由磁铁2的凹侧面2c包围的空间内，圆形的假想平面vf上的径向的磁场强度hr可作为由包含磁铁2的第一面2a的第一大径部21生成的径向磁场mr21、和由包含第二面2b的第二大径部22生成的径向磁场mr22、和由包含最小径部2min的小径部23生成的径向磁场mr23之和来对待。另外，周向的磁场强度hθ可作为由第一大径部21生成的周向磁场mθ21和由第二大径部22生成的周向磁场mθ22和由小径部23生成的周向磁场mθ23之和来对待(参照图10)。

在如第一实施方式那样在磁铁2的面内方向上被磁化的情况下，圆形的假想平面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。

在第一实施方式中，n极侧端部np及s极侧端部sp的各个中的由第一大径部21及第二大径部22生成的径向磁场mr21、mr22的方向与磁铁2的磁化方向dm反向平行，但由小径部23生成的径向磁场mr23的方向与磁铁2的磁化方向dm平行。再有，由小径部23生成的径向磁场mr23的大小(磁场强度hr23)比由第一大径部21及第二大径部22生成的径向磁场mr21、mr22的大小(磁场强度hr21、hr22)小(hr23＜hr21、hr22)。此外，在图10中，各磁场mr21、mr22、mr23、mθ21、mθ22、mθ23的大小(磁场强度hr21、hr22、hr23、hθ21、hθ22、hθ23)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以轴5为中心旋转了90°的位置的由第一大径部21及第二大径部22生成的周向磁场mθ21、mθ22的方向、以及由小径部23生成的周向磁场mθ23的方向均与磁铁2的磁化方向dm反向平行，各磁场mθ21、mθ22、mθ23的大小(磁场强度hθ21、hθ22、hθ23)比n极侧端部np及s极侧端部sp的由第一大径部21及第二大径部22以及由小径部23生成的径向磁场mr21、mr22、mr23的大小(磁场强度hr21、hr22、hr23)小(hr21＞hθ21、hr22＞hθ22、hr23＞hθ23)。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，在由第一实施方式的磁铁2的凹侧面2c包围的空间内，生成圆形的假想平面vf上的规定位置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6)(参照图11a及图11b)。特别是在通过磁铁2的中心点cp且与轴5的旋转轴c正交的面sf(对称面)上，径向及周向的磁场强度hr、hθ的振幅更加一致。因此，通过在该可配置磁传感器的区域6设置磁传感器部3，能够使圆形的假想平面vf上的规定位置的径向的磁场强度hr的振幅和周向的磁场强度hθ的振幅实质上相同(参照图12)，所以能够降低第一实施方式的旋转角度检测装置1的旋转角度的检测误差。

第一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。在这种情况下，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13a所示，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13b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。

在第一实施方式中，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)，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、磁化方向根据被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14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而成的结构。

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。

在图13a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13b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15所示，第一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，在第一实施方式的旋转角度检测装置1中，在由磁铁2的凹侧面2c包围的空间内，形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6)。再有，因为在该可配置磁传感器的区域6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，因为以利用径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ计算出旋转角度的方式构成，且可配置磁传感器的区域6比磁传感器部3充分大，所以能够抑制产生由轴5的轴抖动引起的旋转角度的检测误差。再有，因为利用径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ计算出旋转角度检测值θs，所以也能够降低磁铁2的体积。

〔第二实施方式〕

参照附图，对本发明的第二实施方式进行详细的说明。图16是表示第二实施方式的旋转角度检测装置的概略结构的截面图，图17是表示第二实施方式的磁铁的主要部分的局部放大侧视图。此外，在第二实施方式中，在与第一实施方式同样的构成元件上附带同一符号，省略其详细说明。

如图16所示，第二实施方式的旋转角度检测装置1’具备：支承、固定于轴5且与轴5一体旋转的第一磁铁21’及第二磁铁22’、基于伴随着第一磁铁21’及第二磁铁22’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15)。

第一磁铁21’具有与轴5的旋转轴c(轴心)实质上正交的第一面21a’和与第一面21a’相对的第二面21b’，在沿着轴5的旋转轴c的轴向观察时，第一面21a’及第二面21b’为大致圆形状，第一面21a’为物理上包含第二面21b’的大小。

第二磁铁22’具有与轴5的旋转轴c(轴心)实质上正交的第一面22a’和与第一面22a’相对的第二面22b’，在沿着轴5的旋转轴c的轴向观察时，第一面22a’及第二面22b’为大致圆形状，第一面22a’为物理上包含第二面22b’的大小。

第一磁铁21’及第二磁铁22’以使各自的第一面21a’、22a’及第二面21b’、22b’的重心(中心)与轴5的旋转轴c一致，且使各第一面21a’、22a’隔开规定间隔而相对的方式支承、固定于轴5。

第一磁铁21’及第二磁铁22’在与轴5的旋转轴c正交的方向(第一面21a’、22a’及第二面21b’、22b’的面内方向)上被磁化。此外，在第二实施方式中，以在与旋转轴c正交的方向上被磁化的第一磁铁21’及第二磁铁22’为例，但不局限于这种方式。例如，第一磁铁21’及第二磁铁22’只要具有与旋转轴c正交的方向的磁化矢量成分即可，但优选第一磁铁21’及第二磁铁22’的磁化方向为与旋转轴c实质上正交的方向(磁化方向相对于旋转轴c的角度为90±10°左右)。

在设定与旋转轴c正交的平面且将表示第一磁铁21’的磁化方向的第一箭头dm21’和表示第二磁铁22’的磁化方向的第二箭头dm22’投影到该平面上时，投影到该平面上的第一箭头dm21’的方向和第二箭头dm22’的方向也可以彼此相同，但如图18所示，更优选为彼此不同，沿着投影到该平面上的第一箭头dm21’的第一线段和沿着第二箭头dm22’的第二线段所成的角度θdm(从平行于旋转轴c的方向观察时的角度)优选为(180/(n+1))°或(180×n/(n+1))°(n为1以上的整数)。根据施加于磁传感器部3的径向磁场mr和周向磁场mθ，施加于磁传感器部3的磁场角度θm通过式“θm＝arctan(mθ/mr)”来定义。再有，设置于轴5的第一及第二磁铁21’、22’的旋转角度θ和磁场角度θm相同的情况在旋转角度检测装置1中是理想的情况。但是，实际上，受第一及第二磁铁21’、22’的各磁场的高次成分的影响，会在施加于磁传感器部3的磁场(mr、mθ)上产生失真，导致在由磁传感器部3检测的旋转角度上产生误差。但是，通过沿着投影到上述平面上的第一箭头dm21’的第一线段和沿着第二箭头dm22’的第二线段形成规定的角度θdm，能够使第一及第二磁铁21’、22’的磁场的高次成分相互抵消，所以能够降低由磁传感器部3检测的旋转角度误差。

第二实施方式的第一磁铁21’及第二磁铁22’具有：具有第一面21a’、22a’的基部211’、221’和具有第二面21b’、22b’且从基部211’、221’向第二面21b’、22b’侧突出的凸部212’、222’。基部211’、221’具有与第一面21a’、22a’的外周缘部21e’、22e’连续且与轴5的旋转轴c实质上平行的侧面21c’、22c’(参照图17)。凸部212’、222’具有倾斜侧面21d’、22d’，该倾斜侧面21d’、22d’从比基部211’、221’的侧面21c’、22c’更靠第一磁铁21’及第二磁铁22’的径向内方的位置p21’、p22’(参照图17)向第二面21b’、22b’侧突出，且向第一磁铁21’及第二磁铁22’的径向内方倾斜规定的角度θ21d’、θ22d’。

第一磁铁21’及第二磁铁22’的基部211’、221’的厚度t211’、t221’没有特别限定，例如，可设定为1～4mm左右。凸部212’、222’的厚度t212’、t222’也没有特别限定，例如，可设定为1～4mm左右。

第一磁铁21’及第二磁铁22’的第二面21b’、22b’的直径d21b’、d22b’和第一面21b’、22b’的直径d21b’、d22b’之比优选为1﹕2以上。如果它们之比为上述范围内，则能够使伴随着第一磁铁21’及第二磁铁22’的旋转而由磁传感器部3检测的径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ的振幅彼此实质上相同。此外，第二面21b’、22b’的直径d21b’、d22b’可设定为例如8～20mm左右，第一面21a’、22a’的直径d21a’、d22a’可设定为例如16～40mm左右。

从基部211’、221’的侧面21c’、22c’到凸部212’、222’的倾斜侧面21d’、22d’的起立位置(第一磁铁21’及第二磁铁22’的径向内方的位置p21’、p22’)的长度l21’、l22’(沿着第一磁铁21’及第二磁铁22’的径向的长度)可设定为例如8mm以下左右，优选设定为1～4mm左右。

在第二实施方式的第一磁铁21’及第二磁铁22’中，基部211’、221’的体积v211’、v221’和凸部212’、222’的体积v212’、v222’之比(v211’﹕v212’、v221’﹕v222’)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(v211’﹕v212’、v221’﹕v222’)为上述范围内，则在凸部212’、222’外周圆的直径d21b’、d22b’和基部211’、221’外周圆的直径d21a’、d22a’之间，生成将径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ的振幅制成彼此实质上相同的区域。

第二实施方式的第一磁铁21’及第二磁铁22’是以通过轴5的旋转轴c的轴向上的第一面21a’、22a’间的中心点cp’且与旋转轴c正交的面sf’为对称面的面对称形状(参照图16)。通过第一磁铁21’及第二磁铁22’为这种面对称形状，在由包含第一面21a’的第一假想平面vf1(参照图23a及图23b)和包含第一面22a’的第二假想平面vf2(参照图23a及图23b)夹着的空间内设定与旋转轴c正交且以旋转轴c为中心的圆形的第三假想平面vf3时，能够形成该第三假想平面vf3上的规定位置的径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ的振幅彼此实质上相同的区域。

此外，第二实施方式的第一磁铁21’及第二磁铁22’不局限于图16及图17所示的方式。例如，如图19所示，第一磁铁21’及第二磁铁22’也可以是具有：包含与第一面21a’、22a’的外周缘部连续的侧面21c’、22c’的基部211’、221’、包含与侧面21c’、22c’的上端连续的倾斜侧面21d’、22d’及第二面21b’、22b’的凸部212’、222’的方式。另外，如图20所示，第一磁铁21’及第二磁铁22’也可以是具有：包含第一面21a’、22a’的基部211’、221’、包含与第一面21a’、22a’的外周缘部连续的倾斜侧面21d’22d’及第二面21b’、22b’的凸部212’222’且截面为大致梯形状的方式。再有，如图21所示，第一磁铁21’及第二磁铁22’也可以是具有：包含第一面21a’、22a’及与第一面21a’、22a’的外周缘部连续的侧面21c’、22c’的基部211’、221’、包含从比侧面21c’、22c’更靠第一磁铁21’及第二磁铁22’的径向内方的位置向与轴5的旋转轴c实质上平行的方向立起的侧面及第二面21b’、22b’的凸部212’、222’且截面为大致阶梯形状的方式。再有，如图22所示，第一磁铁21’及第二磁铁22’也可以是具有第一面21a’及与其相对的第二面21b’的大致圆板状的方式。

第二实施方式的磁传感器部3设置于伴随着第一磁铁21’及第二磁铁22’的旋转而由磁传感器部3检测的径向的磁场强度hr及周向的磁场强度hθ的振幅彼此实质上相同的位置。

如图23a及图23b所示，在由包含第二实施方式的第一磁铁21’的第一面21a’的第一假想平面vf1和包含第二磁铁22’的第一面22a’的第二假想平面vf2夹着的空间内，在该空间内设定与旋转轴c正交且以旋转轴c为中心的圆形的第三假想平面vf3时，生成第三假想平面vf3上的规定位置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6’)。

该可配置磁传感器的区域6’生成于比第一磁铁21’及第二磁铁22’的侧面21c’、22c’更靠径向内侧的位置和比侧面21c’、22c’更靠径向外侧的位置之间。更具体而言，径向内侧的位置是沿着径向距侧面21c’、22c’有1～15mm左右的位置，径向外侧的位置是沿着径向距侧面21c’、22c’有1～5mm左右的位置。

在第二实施方式中，因为通过在该可配置磁传感器的区域6’设置磁传感器部3，能够使圆形的第三假想平面vf3上的规定位置的磁场强度hr的振幅和周向的磁场强度hθ的振幅实质上相同(参照图12)，所以能够降低第二实施方式的旋转角度检测装置1的旋转角度的检测误差。

特别优选在可配置磁传感器的区域6’中的比第一磁铁21’及第二磁铁22’的侧面21c’、22c’更靠径向外侧的区域设置磁传感器部3。即，磁传感器部3不被第一磁铁21’及第二磁铁22’夹持。通过磁传感器部3设置于这种位置，能够有效地降低旋转角度检测装置1的旋转角度的检测误差。

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，在第一及第二实施方式中，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5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5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1、图2a及图3a所示的结构的旋转角度检测装置1中，通过使用有限元法(fem)的模拟，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t2为10mm，设第一直线l1和第二直线l2所成的角度θ12为50°。将结果表示在图24中。

〔实施例2〕

除将第一直线l1和第二直线l2所成的角度θ12设为90°以外，其余与实施例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。将结果表示在图25中。

〔实施例3〕

除将磁铁2的厚度t2设为8mm，且将第一直线l1和第二直线l2所成的角度θ12设为40°以外，其余与实施例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。将结果表示在图26中。

〔实施例4〕

使用具有图16及图17所示的结构的第一磁铁21’及第二磁铁22’，将第一磁铁21’及第二磁铁22’的基部211’、221’的厚度t211’、t221’设为2.25mm，将凸部212’、222’的厚度t212’、t222’设为2.75mm，将从侧面21c’、22c’到起立位置p21’、p22’的长度l21’、l22’设为2.0mm，将第一面21a’22a’的直径d21a’、d22a’设为28mm，将第二面21b’、d22b’的直径d21b’、d22b’设为12mm，将倾斜侧面21d’、22d’的倾斜角度θ21d’、θ22d’设为25°，将体积设为1.86cm³(基部211’、221’和凸部212’、222’的体积比(v211’﹕v212’、v221’﹕v222’)＝1﹕0.46)，将第一磁铁21’的磁化方向dm21’和第二磁铁22’的磁化方向dm22’设为平行，除此以外，与实施例1同样，通过模拟，求出第一及第二磁铁21’、22’的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。将结果表示在图27中。

〔实施例5〕

使用具有图22所示的结构的第一磁铁21’及第二磁铁22’，将第一磁铁21’及第二磁铁22’的厚度设为3mm，将第一面21a’、22a’及第二面21b’、22b’的直径d21a’、d22a’、d21b’、d22b’设为28mm，将第一磁铁21’的磁化方向dm21’和第二磁铁22’的磁化方向dm22’设为平行，除此以外，与实施例1同样，通过模拟，求出第一及第二磁铁21’、22’的磁场分布及基于该磁场分布的角度误差分布。将结果表示在图28中。

〔比较例1〕

使用具有图31所示的结构的磁铁200，将磁铁200的厚度设为3mm，将第一面201及第二面202的直径设为28mm，除此以外，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。将结果表示在图29中。

图24～29是表示实施例1～5及比较例1的通过模拟而求出的磁铁2、200、第一及第二磁铁21’、22’的外周缘部附近的角度误差分布的图。在图24～29中，磁铁2、200、第一及第二磁铁21’、22’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6、6’的区域。

由图24～29所示的结果可知，在实施例1～3中，在由磁铁2的凹侧面2c包围的空间内，基于径向和/或周向的磁场强度hr、hθ，可精确地检测旋转角度。

另外可知，在实施例4～5中，在由包含第一磁铁21’的第一面21a’的第一假想平面vf1和包含第二磁铁22’的第一面22a’的第二假想平面vf2夹着的空间内，能够基于径向和/或周向的磁场强度hr、hθ而精确地检测旋转角度。另外确认，当与比较例1的结果进行对比时，在实施例3中，能够基于径向和/或周向的磁场强度hr、hθ而精确地检测旋转角度的区域(可配置磁传感器的区域6’)变大。

〔试验例1〕

在实施例4中，在设定与旋转轴c正交的平面，且将表示第一磁铁21’的磁化方向的第一箭头dm21’和表示第二磁铁22’的磁化方向的第二箭头dm22’投影到该平面上时，在使此时的沿着投影到该平面上的第一箭头dm21’的第一线段和沿着第二箭头dm22’的第二线段所成的角度θdm在30～150°的范围内以15°间隔而变动时，通过模拟，求出第一及第二磁铁21’、22’的旋转角度θ和施加于磁传感器部3的磁场角度θm(＝arctan(mθ/mr))之间的关系。将结果表示在图30中。

在图30所示的曲线图中，横轴表示的是第一及第二磁铁21’、22’的旋转角度θ，纵轴表示的是施加于磁传感器部3的磁场角度θm和旋转角度θ之差(磁场角度θm的偏离旋转角度θ的偏离量)。由图30所示的曲线图可确认，在设定与旋转轴c正交的平面且将表示第一磁铁21’的磁化方向的第一箭头dm21’和表示第二磁铁22’的磁化方向的第二箭头dm22’投影到该平面上时，通过将此时的沿着投影到该平面上的第一箭头dm21’的第一线段和沿着第二箭头dm22’的第二线段所成的角度θdm制成规定的角度，磁场角度θm的偏离旋转角度θ的偏离量的振幅具有极小振幅。由该结果可知，在设定与旋转轴c正交的平面且将表示第一磁铁21’的磁化方向的第一箭头dm21’和表示第二磁铁22’的磁化方向的第二箭头dm22’投影到该平面上时，通过将此时的沿着投影到该平面上的第一箭头dm21’的第一线段和沿着第二箭头dm22’的第二线段所成的角度θdm制成规定的角度，能够降低磁传感器部3的旋转角度的检测误差。