磁铁、磁铁结构体及旋转角度检测器的制作方法

本发明涉及一种磁铁、磁铁结构体及旋转角度检测器。

背景技术

近年来，在汽车的方向盘的旋转位置的检测等各种用途中，磁式旋转角度检测器被广泛利用。作为磁式旋转角度检测器，例如，已知在专利文献1及2中记载的旋转角度检测器。

上述旋转角度检测器具备设置在旋转轴上的磁铁和检测由磁铁引起的磁场的磁传感器，其基于磁传感器的检测输出来检测磁铁的旋转角度。

专利文献1：日本特许第4947321号公报

专利文献2：日本特许第5141780号公报

技术实现要素：

但是，在现有磁铁中，存在不能以足够的精度进行角度的检测的情况。

本发明的目的在于，提供一种能够进行高精度的旋转角度的检测的磁铁、磁铁结构体以及旋转角度检测器。

本发明提供一种磁铁，其具有圆柱或圆筒形状，且含有多个磁性晶粒，所述磁铁的磁化方向是与所述圆柱或圆筒的轴正交的方向，并且所述磁性晶粒的易磁化轴的方向是各向同性的。

根据本发明的磁铁，当使磁铁绕轴旋转时，根据磁铁的旋转角度，在该轴上，磁场的方向围绕轴旋转变化。而且，由于磁铁为圆柱形状且磁化方向是与圆柱的轴正交的方向，因此，即使磁传感器的位置从轴稍微偏离，与处于轴上的情况相比，供应至磁传感器的磁场的大小或方向也不会发生太大变化。因此，即使在磁传感器的安装位置在远离轴的方向上产生少许误差，也可以进行高精度的角度测定。

进而，由于磁铁中的磁性晶粒的易磁化轴的方向是各向同性的，因此，与易磁化轴的方向为各向异性的磁铁相比，更容易控制磁铁中的磁化的方向，因此能够进一步提高角度检测的精度。

在此，上述磁铁还可以含有树脂。

另外，在上述磁铁中，与上述轴正交的一个面在与上述轴交叉的点的周围具有具有磁通密度的区域，该区域的磁通密度在与上述轴交叉的点的磁通密度的±2％的范围内，上述区域的内切圆的半径可以为0.5mm以上。

对于这样的磁铁，在该面上即使磁传感器的位置偏离也容易保持高精度。

另外，在上述磁铁中，与上述轴正交的一个面在与上述轴交叉的点的周围具有具有面内磁场的方向的区域，该面内磁场的方向的相对于与上述轴交叉的点的面内磁场的方向的倾斜度在±0.6°的范围内，上述区域的内切圆的半径可以为0.5mm以上。

另外，上述磁性晶粒可以包含稀土元素、过渡元素及硼。

本发明的磁铁结构体具备上述磁铁和保持上述磁铁的磁铁保持体。

本发明的旋转角度检测器具备上述磁铁结构体和检测磁场的方向的磁传感器。

根据本发明，可以提供一种能够进行高精度的旋转角度的检测的磁铁、磁铁结构体及旋转角度检测器。

附图说明

图1是第一实施方式的磁铁结构体的立体图；

图2是沿着图1的轴c的截面图；

图3(a)是表示磁铁中的各磁性晶粒的易磁化轴为各向同性时的示意图，图3(b)是表示磁铁中的各磁性晶粒的易磁化轴为各向异性时的示意图；

图4是使用第一实施方式的磁铁结构体的旋转角度检测器的立体图；

图5是沿着第二实施方式的磁铁结构体的轴c的截面图；

图6是第三实施方式的磁铁结构体的立体图；

图7(a)是表示进行了模拟及实验后的圆柱磁铁(磁铁a)的形状及磁化方向的俯视图，图7(b)是表示在c轴方向上距图7(a)的磁铁的上表面(端面)的距离gap为2mm的平面p的各点处的、相对于与轴c交叉的点p1的面内磁场的方向的倾斜度的大小的图；

图8(a)是表示进行了模拟及实验后的正方形柱磁铁(磁铁b)的形状及磁化方向的俯视图，图8(b)是表示在c轴方向上距图8(a)的磁铁的上表面(端面)的距离gap为2mm的平面p的各点处的、相对于与轴c交叉的点p1的面内磁场的方向的倾斜度的大小的图；

图9是表示在c轴方向上距图7(a)的磁铁a的上表面(端面)的距离gap为2mm的平面p的各点处的实测的磁通密度的分布的图；

图10是表示图7(a)的磁铁a的在c轴方向上距磁铁的上表面(端面)的距离gap为2mm的平面p上的各点处的、相对于与c轴交叉的点的面内磁场的方向的倾斜度的实测值的分布图；

图11是表示在图7(a)的磁铁a中，相对于距离gap的、具备相对于与轴c交叉的点的面内磁场的方向的倾斜度在±0.1°的范围内的面内磁场的方向的区域的内切圆半径及c轴上的磁通密度的变化的图表；

图12(a)是关于除各向异性的铁氧体磁铁以外与磁铁a相同形状的磁铁c，在c轴方向上距磁铁的上表面(端面)的距离gap为2mm的平面p上的各点处的、相对于与c轴交叉的点的面内磁场的方向的倾斜度的实测值的图表。图12(b)是关于成为比较目标的磁铁a的实测值的图表。

符号说明

2……磁铁保持体、4……磁铁、10……磁铁结构体、12……磁传感器、20……旋转角度检测器。

具体实施方式

参照附图，对本发明的实施方式的磁铁及磁铁结构体进行说明。

(第一实施方式)

图1是具有本发明的第一实施方式的磁铁4的磁铁结构体10的立体图。本实施方式的磁铁结构体10具备磁铁4和筒状的磁铁保持体2。

图2是包含第一实施方式的磁铁4及作为磁铁保持体2的中心轴的轴c的截面图。

磁铁4具有圆柱形状，具有与轴c垂直的上表面(端面)4t及下表面4s。

从提高传感器的精度的观点出发，磁铁4的上表面4t和下表面4s的距离(即，磁铁4的厚度h4)例如可以为1mm以上，优选为2mm以上；从小型化、轻量化的观点出发，可以为4mm以下，优选为2mm以下。

磁铁4的外径(直径)d4可以为5～20mm。

如图1所示，磁铁4的n极及s极在垂直于作为中心轴的轴c的方向上分离。即，磁铁4的磁化方向成为相对于作为圆柱的中心轴的轴c为垂直方向。在此，将与磁铁保持体2及磁铁4的轴c平行的方向设为z方向，将磁化方向的方向设为x方向，将z方向及与z方向垂直的方向称为y方向。

磁铁为永久磁铁，包含大量磁性粉末。磁性粉末的例子为稀土类磁铁粉末及铁氧体磁铁粉末等硬磁性粉末。从小型化的观点出发，磁性粉末优选为稀土类磁铁粉末。稀土类磁铁粉末为包含稀土元素的合金粉末。

稀土元素包含选自长周期型周期表的第iiib族的钪(sc)、钇(y)及镧系元素中的1种以上的元素。在此，镧系元素包含镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)及镥(lu)。

其中，稀土元素优选包含钕。

过渡元素的例子优选为fe、co、cu及zr，但fe是必需元素。

稀土类合金的具体例子为smco系合金、ndfeb系合金、smfen系合金。这些合金中，优选以nd2fe14b为代表的ndfeb系合金。ndfeb系合金包含nd、fe及硼。稀土类磁铁可以包含其它添加元素。

磁性粉末的平均粒径例如可以为30～250μm。磁铁4可以单独包含一种磁铁粉末，也可以包含两种以上的磁铁粉末。

各磁性粉末根据粒径具有一或多个磁性结晶粒，各磁性结晶粒具有易磁化轴。例如，磁性结晶为nd2fe14b时，其易磁化轴为c轴。图3(a)是表示磁铁4的剖面中的磁性晶粒g及各自的易磁化轴的示意图。在本实施方式中，在磁铁4中大量存在的磁性晶粒g的易磁化轴的方向为各向同性，即，是随机的。

这样的磁铁可以通过在磁铁4的成型时实质上不施加磁场，而对成型后的磁铁施加磁场进行磁化，从而获得。

磁铁4包含磁性粉末以外的粘结剂，也可以是所谓的粘结磁铁。粘结剂的例子为树脂粘结剂。

树脂粘结剂的例子为热固性树脂的固化材料或热塑性树脂。固化性树脂的例子为环氧树脂、酚醛树脂。热塑性树脂的例子为尼龙(例如，pa12、pa6、pa66)等聚酰胺；聚苯硫醚。磁铁4可以单独包含一种树脂，也可以包含两种以上的树脂。

磁铁4为粘结磁铁时，磁铁中的树脂的体积比率可以为30～90％，磁性粉末的体积比率可以为10～70％。

返回图1及图2，磁铁保持体2具有圆筒型的形状，其圆筒的一端2d及另一端2e被开放，且具有贯通内部的空洞部分，磁铁4被固定在空洞部分内。

在磁铁保持体2的一端2d侧，设有朝向径方向外侧延伸的凸缘部2f。凸缘部2f的形状为沿着磁铁保持体2的外周面的环状。磁铁保持体也可以不具有凸缘部2f。

磁铁保持体2可以通过用于形成凸缘部2f及内部空间等的冲压加工来进行制造。

磁铁保持体2的高度(作为中心轴的轴c方向的长度)h2可以为例如：3～25mm、5～20mm。磁铁保持体2的外径d2例如可以为：3～25mm、5～20mm。磁铁保持体2的厚度例如可以为：0.3～3mm、0.5～2mm。包含磁铁保持体2的凸缘部2f的外径例如可以为：3～30mm、5～25mm。

如图2所示，磁铁4占据磁铁保持体2的一端2d侧的内部，磁铁4与磁铁保持体2的内周面2is的一端2d侧的部分接触。

磁铁4和磁铁保持体2也可以用粘接剂进行固定。例如，可以将在磁铁保持体2之外成型(压缩成型及押出成型等等)得到的或通过从磁铁原体切出而得到的磁铁4用粘接剂等固定在磁铁保持体2内。

另外，如果磁铁4是粘结磁铁，则也可以利用粘结磁铁中的树脂的粘结性将磁铁4固定在磁铁保持体上。例如，也可以通过注射成型在磁铁保持体2内一体形成磁铁4。具体而言，可以通过加热等使包含粘结剂树脂及磁铁粉末的原料组合物流动化，将其注入磁铁保持体内，通过冷却等进行固化，在磁铁保持体2内形成圆柱状的磁铁4。通过在无磁场条件下进行注射工序，能够使磁性晶粒的易磁化轴向各向同性地取向。

另外，图示省略，也可以在磁铁4和磁铁保持体2的接触面中设置凹凸，通过一方的凸部嵌入另一方的凹部，从而可以将磁铁4和磁铁保持体2固定。

从磁铁4的凹凸不会扰乱磁铁形成的磁场的观点出发，优选相对于磁铁4的外周面，磁铁的径向的凹凸的大小为±0.5mm以内。

在上述实施方式中，如图2所示，磁铁4的上表面4t和磁铁保持体的一端2d处于与c轴垂直的同一面上，但它们在c轴方向上彼此也可以有高低差。高低差的例子为0.05～0.5mm。

磁铁保持体2的材质优选为非磁性体。作为非磁性体，例如，可举出铝、铜、黄铜及不锈钢等。

[旋转角度检测器]

接下来，参照图4，对使用了第一实施方式的磁铁结构体10的旋转角度检测器20的1例进行说明。旋转角度检测器20具备磁铁结构体10及检测磁场的方向的磁传感器12，测量汽车的转向轴14围绕c轴的旋转r的旋转角度。

磁传感器12固定在不与转向轴14的旋转进行联动的固定夹具f的表面(下表面)。磁传感器12的固定方法的1例为粘接剂。

磁传感器12的例子为amr元件、gmr元件及tmr元件。特别是因为tmr元件的灵敏度高，所以有助于进行高精度的准确的测量。例如，根据具有钉扎层的磁化方向相互正交的两种tmr元件的磁传感器，磁铁4根据形成的磁场的方向，作为没有沿着正弦曲线的变形的波形输出正弦信号和余弦信号，基于这些信号，可以高精度地求得磁场的方向。

磁铁结构体10的磁铁4和磁传感器12的距离gap例如可以为1～6mm。

在具有tmr元件的磁传感器的情况下，优选磁传感器12的位置处于磁场强度为20～80mt的位置。

在磁铁结构体10的磁铁保持体2，例如，可以插入汽车的转向轴14，并与磁铁结构体10固定。在转向轴14，可以连接电动助力转向(eps)用的电动机m。旋转角度检测器20通过检测磁铁结构体10的旋转角度，能够精度高地检测转向轴14的旋转角度，从而实现电动助力转向的精度的提高。

根据本实施方式的磁铁结构体10，由磁铁4引起生成如图1的m所示的磁场，在使转向轴14在围绕轴c向r方向旋转时，磁场的方向根据转向轴14的旋转角度在该轴c上围绕c轴旋转变化。而且，磁铁4为圆柱形状且磁化方向为与圆柱轴c正交的方向，因此，即使在xy面内，磁传感器12的位置从c轴稍微偏离，与处于c轴上的情况相比，磁传感器12受到的磁场的大小或方向也不会发生太大变化。因此，即使在磁传感器12的安装位置向从c轴远离的方向产生极少误差，也可以进行高精度的角度测量。

进而，根据本实施方式的磁铁4，磁铁4中的磁性晶粒g的易磁化轴的方向为各向同性，因此，与易磁化轴的方向为各向异性的磁铁相比，可以进一步提高角度检测的精度。

具体而言，在各磁性晶粒的易磁化轴的方向不是各向同性而是具有各向异性的磁铁中，如图3(b)所示，有时易磁化轴沿着曲线进行配置。例如，当在磁场中成型磁铁时，磁铁在稍微离开磁场产生用线圈的中心轴的部位受到磁场时，磁力线cl成为曲线，因此，获得的磁铁中的磁性晶粒g的易磁化轴也沿着该曲线的磁力线cl进行配置。而且，相对于这样的磁铁，即使以后进行磁化，易磁化轴的方向也不会改变，因此，磁铁的磁化方向沿着磁铁所具有的易磁化轴排列的曲线弯曲。

与之相对，如图3(a)所示，当磁性晶粒g的易磁化轴的方向为各向同性，即为任意时，根据磁化时的磁场的直线性，可以沿着磁场高精度地控制磁铁的磁化方向。进而，即使产生磁化的不良，也能够通过再次磁化矫正为正确的磁化方向。因此，高精度的角度检测还可以提高磁铁的成品率。

如图1所示，在本实施方式中，磁铁4在与轴c正交的一个平面p(参照图1)中，能够在与轴c交叉的点p1的周围，赋予具有磁通密度的区域a，该区域a的磁通密度在与轴c交叉的点p1的磁通密度的±2％的范围内，区域a的内切圆的半径可以为0.5mm以上。

另外，在上述实施方式中，磁铁4在与轴c正交的一个平面p中，在与轴c交叉的点p1的周围，能够赋予具有面内磁场的方向的区域b，该面内磁场的方向的相对于与轴c交叉的点p1的面内磁场的方向的倾斜度在±0.6°的范围内，区域b的内切圆的半径可以为0.5mm以上。

根据具有这种特性的磁铁4及磁铁结构体10，通过在该平面p上的点p1配置测定磁场的方向的磁传感器12，可以高精度地进行角度的检测。特别是，虽然磁传感器的安装位置在xy面内容易从轴c上偏离，但根据本实施方式，即使磁传感器12的位置在xy面内从轴c偏离某种程度，也可较高地维持精度。

例如，通常，磁传感器12的xy面内的设置精度大多为±0.5mm左右，即使像这样位置偏离的情况下，也可以维持高的检测精度。

另外，在磁铁的结构为直径为13mm以上、高度为2mm以上的情况下，上述区域a及b的内切圆的半径也可以为1.8mm以上。例如，为了确保冗余性而具有独立的两个磁传感器，有时也使用两个磁传感器之间的距离离开2.6mm左右的传感器单元。该情况下，以两个磁传感器之间的中心配置在c轴上的方式将传感器单元配置在固定夹具f上，但如上所述当区域a、b大时，即使在传感器单元的xy面中的设置精度为±0.5mm左右，也能够提高角度检测的精度。

可以实现该区域a及b的平面p的、距磁铁4的距离gap可以为1～3mm。

(第二实施方式)

图5是包含本发明的第二实施方式的磁铁4及磁铁结构体10的轴的截面图。第二实施方式与第一实施方式不同的第1点是：磁铁保持体2是具有细管部2a、粗管部2b及扩径部2c的圆筒，磁铁保持体2的外径及内径沿轴向变化。另外，不同点的第2点是：与此对应，磁铁4具有细径部4a及粗径部4b，磁铁4的形状成为外径沿轴向变化的圆柱。

磁铁的粗径部4b的直径可以与第一实施方式相同。磁铁的细径部4a的直径可以设为5～20mm。

在本实施方式中，也能起到与第一实施方式同样的作用效果。

(第三实施方式)

图6是包含作为本发明的第三实施方式的磁铁结构体10的中心轴的轴c的截面图。

本实施方式与第一实施方式不同的点是，磁铁4的形状不是圆柱而是圆筒，磁铁4不是设置在磁铁保持体2的内部而是设置在外周面上。

磁铁4的z方向的厚度h4可以与第一实施方式相同。磁铁4的内径d2(磁铁保持体2的外径d2)可以设为4～10mm。磁铁4的外径d4可以设为10～50mm。

磁铁保持体2的厚度可以与第一实施方式相同。

在本实施方式中，磁铁4的上表面4t和磁铁保持体的一端2d处于与c轴垂直的同一面上，但它们在c轴方向上可以彼此有高低差。高低差的例子为0.05～0.5mm。

另外，省略了图示，在磁铁4和磁铁保持体2的接触面也可以如第一实施方式中所说明的那样具有凹凸。由此，可以更可靠地将磁铁4和磁铁保持体2固定。

在本实施方式中，磁铁保持体2可以不具有凸缘部，但也可以具有凸缘部。

作为在磁铁保持体2的外周面2p上形成磁铁4的方法的一例，可以举出与第一实施方式同样的注射成型及通过粘接剂的粘接。在本实施方式中，也能起到与第一实施方式相同的作用效果。

本发明不限定于上述实施方式，可以采用各种变形方式。

(其它方式)

磁铁的形状也可以是上述实施方式的形状以外的形状，只要是圆柱或圆筒即可。例如，磁铁的圆柱或圆筒，也可以像第二实施方式(参照图5)那样，外径沿着轴向变化。例如，作为变化的方法，除了如图5所示，外径在轴向的中途以阶梯状变化的台阶形状之外，还有外径在中途具有在轴向的中途以圆锥状变化的圆锥部的形状、以及外径贯穿轴向的整体而变化的圆锥形状。

如第三实施方式(参照图6)那样，在磁铁为圆筒的情况下，也可以是磁铁的外径沿轴向变化，也可以是磁铁的内径沿轴向变化，也可以是磁铁的外径及内径沿轴向变化。

磁铁保持体的形状不限定于圆筒，也可以是方筒，只要具有可以保持磁铁的形状即可。另外，像第三实施方式那样，在磁铁为圆筒的情况下，磁铁保持体也可以是圆柱。进一步，在上述实施方式中，考虑与转向轴等旋转轴的连接，磁铁保持体2的另一端(一端)2e是开放的，但磁铁保持体2的另一端也可以关闭。磁铁保持体2还可以具备可以固定汽车的手柄轴等旋转轴的连接结构。连接结构的例子为凹状的接入部。

[实施例及计算例]

关于由nd2fe14b磁铁粉和尼龙pa12构成的粘结磁铁，像图7(a)那样，当磁铁为圆柱形状，且磁化方向与柱的轴(z轴)垂直(x方向)时(称为磁铁a)，像图8(a)那样，磁铁为正方形柱形状，且磁化方向与柱的轴(z轴)垂直且从一边朝向对置的边的情况下(称为磁铁b)，将在c轴方向上距磁铁的上表面(端面)的距离gap为2mm的平面p的各点处的、相对于与轴c交叉的点p1的面内磁场的方向的倾斜度的大小，分别示于图7(b)及图8(b)。此外，图7(a)的圆柱形状的磁铁的直径(xy面)为13mm，厚度(z方向)为2mm。另外，图8(a)的正方形柱形状的磁铁的边(x方向及y方向)的长度为11.5mm，厚度(z方向)为2mm。通过模拟计算磁场的倾斜度的大小。

如图7(b)及图8(b)所示，磁铁为圆柱形状的情况下，角度的误差为0.1°以下的区域变宽，并且磁传感器的安装精度的余量增加。

在图7(b)中，角度的倾斜度成为±0.6°的范围内的区域的内切圆的半径成为2.4mm，在图8(b)中，成为0.8mm。另外，在图7(b)中，在距c轴的距离为1.2mm的圆周上的角度误差的平均为0.003°，相对于此，在图8(b)中，为0.25°。

关于由nd2fe14b磁铁粉和尼龙pa12构成的上述圆柱形状的磁铁a，实测在c轴方向上距磁铁的上表面(端面)的距离gap为2mm的平面p中的磁通密度分布，将其结果示于图9。

可以看出，在与轴c交叉的点的周围，磁通密度恒定的区域大幅扩大。具有在与轴c交叉的点的磁通密度的±2％的范围内的磁通密度的区域的内切圆的半径的大小为3mm。

进一步，关于由nd2fe14b磁铁粉和尼龙pa12构成的上述圆柱形状的磁铁a，将在c轴方向上距磁铁的上表面(端面)的距离gap为2mm的平面p上的各点中的、相对于与c轴交叉的点的面内磁场的方向的倾斜度的实测值示于图10。

可以看出，存在与模拟结果同样的趋势。在确定了具有相对于与轴c交叉的点的面内磁场的方向的倾斜度在±0.6°的范围内的面内磁场的方向的区域时，该区域的内切圆的半径为2.8mm。

进而，图11是在由nd2fe14b磁铁粉和尼龙pa12构成的上述圆柱形状的磁铁a中，使c轴上的距离gap变化，同时，求得在与轴c正交的各面中，具有相对于与轴c交叉的点的面内磁场的方向的倾斜度在±0.1°的范围内的面内磁场的方向的区域，相对于距离gap以图表表示该区域的内切圆半径。进而，在图11中，也示出改变了c轴上的距离gap的情况的磁通密度的变化。

在该磁铁中，示出了在一定的距离gap(2.0mm)时，角度误差少的区域非常多的特性。

该磁铁中，剩余磁通密度为615mt，矫顽力hcb为410ka/m，矫顽力hcj为748ka/m，最大磁能积bhmax为63kj/m³。

图12(a)是关于除易磁化轴配置为各向异性的铁氧体磁铁以外，与磁铁a相同形状的磁铁c中，在c轴方向上距磁铁的上表面(端面)的距离gap为2mm的平面p上的各点处的、相对于与c轴交叉的点的面内磁场的方向的倾斜度的实测值的图表。图12(b)是成为比较对象的磁铁a的实测值的图表。磁铁a一方的角度误差低的范围较宽。