CN105599807A - 转矩转向角传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种除了转向转矩外还能够机械地检测转向角的绝对值，并且能够抑制成本增加及大型化的转矩转向角传感器。转矩转向角传感器(2)具备：与由扭杆(113)连结的第一旋转部件(111)以及第二旋转部件(112)中的第一旋转部件一同旋转的环形磁铁(31)、与环形磁铁的磁极的相对位置同扭杆的扭曲对应地变化的多个磁轭(41、42)、能够检测第一集磁环(51)以及第二集磁环(52)之间的磁场的强度的第一磁检测元件(61)、接受来自环形磁铁的磁场的第二磁检测元件(62)、在第二磁检测元件产生与环形磁铁不同的方向的磁场的滑动磁铁(32)、以及伴随着第一旋转部件的旋转而使滑动磁铁相对于第二磁检测元件移动的滑动机构(7)。

Description

转矩转向角传感器
技术领域
本发明涉及能够检测车辆的方向盘的转向转矩以及转向角的转矩转向角传感器。
背景技术
以往，在车辆的电动动力转向装置设置有能够检测转向转矩的转矩传感器。在上述转矩传感器中，存在除了检测转向转矩外，还能够检测转向角的传感器(例如，参照专利文献1)。
在专利文献1中，作为第一实施方式而被记载的转矩传感器具有：连结转向轴的输入轴与输出轴的扭杆、固定于转向轴的输入轴的传感器磁轭组件、收集传感器磁轭组件的磁通的集磁磁轭组件、与转向轴的输出轴一同旋转的环状的永久磁铁、配置于构成集磁磁轭组件的第一集磁磁轭构成部与第二集磁磁轭构成部之间的第一磁检测器、以及与永久磁铁的外周面对置配置的第二磁检测器。
由第一磁检测器检测的磁场强度与扭杆的扭曲角对应地变化，从而该转矩传感器能够检测转向转矩。另外，由第二磁检测器检测出的磁场强度伴随着永久磁铁的旋转而变化，由此能够检测相邻的N极与S极之间的旋转角，从而能够累计该旋转角，由此运算出转向角。
另外，在专利文献1中，作为第二实施方式而被记载的转矩传感器的永久磁铁的外周面被并行磁化为两极，从而第二磁检测器能够检测磁场的朝向。由此，与第一实施方式的传感器相比，能够更加简单地计算出转向角。
另外，在专利文献1中，作为第三实施方式而被记载的转矩传感器除了第一实施方式的转矩传感器的各构成要素外，还具有固定于永久磁铁的下表面的第一齿轮、与第一齿轮啮合的第二齿轮、固定于第二齿轮的两极磁铁、以及与两极磁铁对置配置的第三磁检测器。第一齿轮以及第二齿轮均由正齿轮构成，它们的齿数不同。该转矩传感器通过由第二磁检测器检测的磁场强度与由第三磁检测器检测的磁场强度的组合，即便在转向轴旋转多圈的情况下，也能够检测转向角的绝对值(绝对角度)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-190632号公报
专利文献1的第一实施方式或者第二实施方式的转矩传感器不是机械地检测转向角的绝对角度，若不是在例如基于车辆的点火开关的操作而起动后，车辆的前进状态持续规定时间，由此检测出方向盘的中立位置后，则无法正确地求得绝对角度。另一方面，专利文献1的第三实施方式的转矩传感器能够机械地检测转向角的绝对值，但为了检测转向角而使用两个磁检测器(第二磁检测器以及第三磁检测器)，因此导致成本增加。另外，第二齿轮与固定于环状的永久磁铁的第一齿轮在径向上啮合，因此导致转矩传感器向转向轴的径向的大型化。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种除了转向转矩外，还能够机械地检测转向角的绝对值，并且能够抑制成本的增加以及大型化的转矩转向角传感器。
本发明以解决上述课题为目的，提供一种转矩转向角传感器，其配置于电动动力转向装置的第一旋转部件与第二旋转部件的连结部，并检测方向盘的转向角以及转向转矩，其中，上述电动动力转向装置具有由与方向盘的转向转矩对应地产生扭转角度的扭杆连结的上述第一旋转部件与上述第二旋转部件，具备：环状的环形磁铁，其沿着以上述第一旋转部件以及上述第二旋转部件的旋转轴线为中心的周向形成有极性不同的多个磁极，并与上述第一旋转部件一同旋转；多个磁路形成部件，其形成上述环形磁铁的磁通的磁路，上述多个磁路形成部件与上述环形磁铁的上述多个磁极的相对位置关系同上述扭杆的扭曲对应地变化；一对集磁环，其收集上述多个磁路形成部件的磁通；第一磁检测元件，其能够检测上述一对集磁环之间的磁场的强度；第二磁检测元件，其配置为在接受来自上述环形磁铁的磁场的位置固定于非旋转部件，该非旋转部件不因上述第一旋转部件的旋转而旋转；滑动磁铁，其在上述第二磁检测元件产生与上述环形磁铁不同的方向的磁场；以及滑动机构，其伴随着上述第一旋转部件的旋转而使上述滑动磁铁在相对于上述第二磁检测元件接近及远离的方向上移动，上述第二磁检测元件能够检测从上述环形磁铁接受的磁场的强度以及从上述滑动磁铁接受的磁场的强度。
本发明的效果如下。
根据本发明的转矩转向角传感器，能够机械地检测转向角的绝对值，并且能够抑制成本的增加以及大型化。
附图说明
图1是表示应用了本发明的第一实施方式的转矩转向角传感器的电动动力转向装置1的示意图。
图2是表示转矩转向角传感器的外观立体图。
图3是沿着转向轴的旋转轴线O的转矩转向角传感器的剖视图。
图4(a)以及图4(b)是表示用于检测转向转矩的转矩检测部的结构的立体图。
图5是转矩检测部的分解立体图。
图6是表示用于检测转向角的转向角检测部的结构的立体图。
图7(a)是表示沿着旋转轴线O从上方观察环形磁铁以及第二磁检测元件的状态的示意图，图7(b)是表示由第二磁检测元件检测的X方向以及Y方向的磁场的强度的变化的图表。
图8(a)是表示在使方向盘向一个方向以一定速度旋转的情况下由第二磁检测元件检测出的Z方向的磁场的强度的时间变化的图表。图8(b)是表示在与图8(a)的图表共通的时间轴中，由转矩转向角运算部求得的转向角度(绝对值)的时间变化的图表。
图9(a)是与第二磁检测元件一同表示第二实施方式的转矩转向角传感器的转矩检测部的结构的立体图。图9(b)是表示第一磁轭的立体图。图9(c)是表示第二磁轭的立体图。
图中：1—电动动力转向装置，10—方向盘，11—转向轴，111—第一旋转部件，112—第二旋转部件，113—扭杆，2—转矩转向角传感器，31—环形磁铁，32—滑动磁铁，40—保持部件，41—第一磁轭(磁路形成部件)，42—第二磁轭(磁路形成部件)，411、421—对置片，411a、421a—对置面，412、422—传递部，413、423—交接部，413a、423a—前端面，51—第一集磁环，52—第二集磁环，511、521—环状部，511a、512a—内周面，512、522—连结部，513、523—对置部，61—第一磁检测元件，62—第二磁检测元件，7—滑动机构，70—滑动驱动部件(环状部件)，700—啮合部，71—滑块(支承部件)，72—引导部件。
具体实施方式
[第一实施方式]
以下，参照图1至图8对本发明的第一实施方式进行说明。
图1是表示应用了本发明的第一实施方式的转矩转向角传感器的电动动力转向装置1的示意图。
该电动动力转向装置1具有：连结于方向盘10的转向轴11、经由万向接头12连结于转向轴11的中间轴13、经由万向接头14连结于中间轴13的齿轮轴15、形成有与齿轮轴15的齿轮齿150啮合的齿条齿160的齿条轴16、与在操作方向盘10转向时施加于转向轴11的转向转矩对应地产生转向辅助力的转向辅助机构17、以及检测方向盘10的转向角以及转向转矩的转矩转向角传感器2。
齿条轴16支承于省略图示的齿条壳体，并与方向盘10的转向操作对应地在车宽方向上移动。作为转向轮的左右前轮19L、19R与齿条轴16被左右的横拉杆18L、18R连结。齿条轴16以及齿轮轴15构成齿轮齿条式的转向机构。
在本实施方式中，转向辅助机构17为对齿条轴16施加转向辅助力的齿条辅助式的转向辅助机构，电动马达170的旋转力例如被滚珠丝杠机构转换成直线方向的移动力，作为转向辅助力施加于齿条轴16。其中，作为转向辅助机构17也可以为设置于支承转向轴11的转向柱，并例如通过蜗轮机构减速电动马达170的旋转力，作为转向辅助力施加于转向轴11的转向柱辅助式的转向辅助结构。
转向辅助机构17接受从控制装置20供给来的马达电流，产生与该马达电流对应的转向辅助力。控制装置20具有基于转矩转向角传感器2的输出信号运算转向转矩以及转向角的转矩转向角运算部21、基于转矩转向角运算部21的运算结果运算应该施加的转向辅助力的转向辅助力运算部22、以及输出与由转向辅助力运算部22运算的转向辅助力对应的马达电流来驱动转向辅助机构17的电动马达170的马达驱动电路23。
转向辅助力运算部22进行如下运算：转向转矩越大，并且基于转向角的时间变化运算的转向速度越高，由转向辅助机构17施加于转向机构的转向辅助力越大。另外，由转矩转向角运算部21运算的转向角例如也用于车辆的横向滑动防止装置(ESC：ElectronicStabilityControl电子稳定控制系统)等的控制。
转向轴11具有方向盘10侧的第一旋转部件111、及中间轴13侧的第二旋转部件112，第一旋转部件111与第二旋转部件112被后述的扭杆连结。转矩转向角传感器2配置于第一旋转部件111与第二旋转部件112的连结部。此外，在本实施方式中，转矩转向角传感器2配置于转向轴11，但不限定于此，例如也可以在齿轮轴15配置转矩转向角传感器2。
(转矩转向角传感器的结构)
接下来，参照图2至图6对转矩转向角传感器2的结构进行说明。此外，以下，为了便于说明，将转向轴11的轴向的方向盘10侧设为“上”，将其相反的一侧(中间轴13侧)设为“下”进行说明，但该“上”或者“下”不限定电动动力转向装置1的使用状态中的铅垂方向的上下。
图2是表示转矩转向角传感器2的外观立体图。图3是沿着转向轴11的旋转轴线O的转矩转向角传感器2的剖视图。图4(a)以及图4(b)是表示用于检测转向转矩的转矩检测部2a的结构的立体图。图5是转矩检测部2a的分解立体图。图6是表示用于检测转向角的转向角检测部2b的结构的立体图。
转向轴11的第一旋转部件111以及第二旋转部件112共有旋转轴线O，并与方向盘10一同旋转。如图3所示，第一旋转部件111与第二旋转部件112被与方向盘10的转向转矩对应地产生扭转角度的扭杆113连结。扭杆113的轴向的一端部以无法相对旋转的方式连结于第一旋转部件111，另一端部以无法相对旋转的方式连结于第二旋转部件112。在本实施方式中，扭杆113的上端部被螺栓114固定于第一旋转部件111，下端部被螺栓115固定于第二旋转部件112。
转矩转向角传感器2具有用于检测转向转矩的转矩检测部2a以及用于检测转向角的转向角检测部2b，并收容于将转向轴11保持为能够倾斜调整的转向柱壳体110。在图3中，由双点划线图示转向柱壳体110。转向柱壳体110、固定于转向柱壳体110的第一基板81以及第二基板82为不与第一旋转部件111的旋转一同旋转的本发明的“非旋转部件”的一个形式。
转矩转向角传感器2具备：与第一旋转部件111一同旋转的环状的环形磁铁31；作为形成环形磁铁31的磁通的磁路的多个磁路形成部件的第一磁轭41以及第二磁轭42；保持第一磁轭41以及第二磁轭42的保持部件40；将保持部件40固定于第二旋转部件112的圆筒状的固定部件116；收集第一磁轭41以及第二磁轭42的磁通的第一集磁环51以及第二集磁环52；固定配置于第一基板81并能够检测第一集磁环51以及第二集磁环52之间的磁场的强度的第一磁检测元件61；在接受来自环形磁铁31的磁场的位置固定配置于第二基板82的第二磁检测元件62；在第二磁检测元件62产生与环形磁铁31不同的方向的磁场的滑动磁铁32；以及伴随着第一旋转部件111的旋转而使滑动磁铁32向相对于第二磁检测元件62接近以及远离的方向移动的滑动机构7。
如图4以及图5所示，在环形磁铁31沿着以旋转轴线O为中心的周向形成有磁性不同的多个磁极。在本实施方式中，在环形磁铁31形成有由两个N极311以及两个S极312构成的四个磁极。如图2所示，在滑动磁铁32的第二磁检测元件62侧形成有N极321，在其相反的一侧形成有S极322。滑动机构7使滑动磁铁32沿与旋转轴线O平行的方向移动。
第一磁检测元件61安装于第一基板81，第二磁检测元件62安装于第二基板82。第一磁检测元件61以及第二磁检测元件62例如为利用霍尔效应检测磁场的强度的霍尔IC(集成电路)。第一基板81以及第二基板82固定于转向柱壳体110，并经由形成于其表面的布线图案将第一磁检测元件61以及第二磁检测元件62的输出信号输送至控制装置20的转矩转向角运算部21。
第二磁检测元件62与环形磁铁31的外周面对置地配置，并能够检测环形磁铁31的周向的磁场以及环形磁铁31的径向的磁场，并且能够检测与环形磁铁31的周向以及径向正交的方向(与旋转轴线O平行的方向)的磁场。在以下的说明中，将沿着环形磁铁31的周向的第二磁检测元件62的第一检测方向称为X方向，将沿着环形磁铁31的径向的第二磁检测元件62的第二检测方向称为Y方向，将与X方向以及Y方向正交的第二磁检测元件62的第三检测方向称为Z方向。即，第二磁检测元件62能够检测相互正交的三个方向(X方向、Y方向以及Z方向)的磁场的强度。
而且，第二磁检测元件62能够检测X方向以及Y方向的磁场，从而能够检测从环形磁铁31接受的磁场的方向。另外，第二磁检测元件62能够检测与旋转轴线O平行的Z方向的磁场，从而能够检测从滑动磁铁32接受的磁场的强度。
滑动磁铁32的磁化方向与旋转轴线O平行，且N极321沿着Z方向与第二磁检测元件62对置。由此，滑动磁铁32相对于第二磁检测元件62，不在X方向以及Y方向产生磁场。
如图2以及图3所示，第一磁检测元件61与第二磁检测元件62配置于隔着旋转轴线O的位置。即，在第一磁检测元件61与第二磁检测元件62之间配置有转向轴11。由此，能够抑制与第二磁检测元件62对置地配置的滑动磁铁32的磁场对第一磁检测元件61的磁场强度的检测结果带来影响。
转矩检测部2a包括环形磁铁31、第一磁轭41、第二磁轭42、保持部件40、第一集磁环51、第二集磁环52以及第一磁检测元件61。转向角检测部2b包括环形磁铁31、滑动磁铁32、滑动机构7以及第二磁检测元件62。即，环形磁铁31为转矩检测部2a的构成要素，同时也为转向角检测部2b的构成要素。以下，对转矩检测部2a以及转向角检测部2b的结构详细地进行说明。
(转矩检测部的结构)
如图2至图4所示，环形磁铁31配置于从第一集磁环51以及第二集磁环52向旋转轴线方向偏移的位置。更具体而言，第二集磁环52配置得比第一集磁环51更靠上方，环形磁铁31配置得比第二集磁环52更进一步靠上方。第一磁轭41使环形磁铁31与第一集磁环51磁耦合，第二磁轭42使环形磁铁31与第二集磁环52磁耦合。
如上所述，环形磁铁31与第一旋转部件111一同旋转，第一磁轭41以及第二磁轭42经由保持部件40以及固定部件116固定于第二旋转部件112，因此若通过车辆的驾驶员对方向盘10的转向操作而对转向轴11施加转向转矩，则在扭杆113产生扭曲，从而环形磁铁31的磁极与第一磁轭41以及第二磁轭42的相对的位置关系与扭杆113的扭曲量对应地变化。
在图4中，图4(a)表示扭杆113未扭曲的状态，图4(b)表示扭杆113因转向转矩而扭曲的状态。在本实施方式中，在转矩检测部2a配置有两个第一磁轭41以及两个第二磁轭42。当在扭杆113未产生扭曲的状态下，两个第一磁轭41以及两个第二磁轭42同环形磁铁31的N极311与S极312的边界部对置。
如图5所示，第一磁轭41具有与环形磁铁31的轴向端面平行地对置的对置片411、在与第一集磁环51之间交接磁通的交接部413以及在对置片411与交接部413之间传递磁通的传递部412。对置片411呈具有与环形磁铁31的N极311对置的对置面41la的平板状，并从传递部412的上端部朝向环形磁铁31的径向外侧延伸。交接部413从传递部412的下端部朝向环形磁铁31的径向外侧延伸。传递部412呈与旋转轴线O平行地配置的平板状。
第二磁轭42具有与环形磁铁31的轴向端面平行地对置的对置片421、在与第二集磁环52之间交接磁通的交接部423以及在对置片421与交接部423之间传递磁通的传递部422。对置片421呈具有与环形磁铁31的S极312对置的对置面421a的平板状，并从传递部422的上端部朝向环形磁铁31的径向外侧延伸。交接部423从传递部422的下端部朝向环形磁铁31的径向外侧延伸。传递部422呈与旋转轴线O平行地配置的平板状。
第二磁轭42的传递部422的与旋转轴线O平行的方向的长度比第一磁轭41的传递部412短。该长度的不同取决于接下来叙述的第一集磁环51的环状部511与第二集磁环52的环状部521的上下方向的位置的不同。
第一集磁环51具有与环形磁铁31配置于同一轴上并在与第一磁轭41的交接部413之间交接磁通的环状部511、与第一磁检测元件61对置的对置部513以及连结环状部511与对置部513的连结部512。连结部512由从环状部511的周向的一部分的外周面向径向外侧延伸的径向延伸部512a以及从径向延伸部512a的前端部向上方延伸的轴向延伸部512b构成。对置部513呈从轴向延伸部512b的上端部朝向环状部511的径向外侧延伸的板状。
第二集磁环52具有与环形磁铁31配置于同一轴上并在与第二磁轭42的交接部423之间交接磁通的环状部521、与第一磁检测元件61对置的对置部523以及连结环状部521与对置部523的连结部522。连结部522由从环状部521的周向的一部分的外周面向径向外侧延伸的径向延伸部522a以及从径向延伸部522a的前端部向下方延伸的轴向延伸部522b构成。对置部523呈从轴向延伸部522b的下端部朝向环状部521的径向外侧延伸的板状。
第一集磁环51的环状部511与第二集磁环52的环状部521的内径以及外径相同，并沿上下方向对置地平行配置。另外，这些两环状部511、521均呈径向的宽度比轴向的厚度大的圆环板状。第一磁检测元件61配置于第一集磁环51的对置部513与第二集磁环52的对置部523之间，并检测两对置部513、523之间的磁场的强度。
第一磁轭41的交接部413呈其前端部形成为与第一集磁环51的环状部511的内径对应的曲率的圆弧状，并在环状部511的径向上延伸，是在环状部511的轴向上具有厚度的板状。第一磁轭41的交接部413的前端面413a弯曲地形成为与第一集磁环51的环状部511的内周面511a平行地对置。
相同地，第二磁轭42的交接部423呈其前端部形成为与第二集磁环52的环状部521的内径对应的曲率的圆弧状，并在环状部521的径向上延伸，是在环状部521的轴向上具有厚度的板状。第二磁轭42的交接部423的前端面423a弯曲地形成为与第二集磁环52的环状部521的内周面521a平行地对置。
(转向角检测部的结构)
如图6所示，滑动机构7构成为具有作为支承滑动磁铁32的支承部件的滑块71、与第一旋转部件111一同旋转并在外周面呈螺旋状地形成有与滑块71啮合的啮合部700的作为环状部件的滑动驱动部件70、以及固定于转向柱壳体110并与旋转轴线平行地引导滑块71的引导部件72。滑动驱动部件70、滑块71以及引导部件72由例如铝、奥氏体类不锈钢等非磁性金属或硬质树脂等非磁性体构成。
滑动驱动部件70呈在其内部插入有第一旋转部件111的圆筒状，且其上端部被螺栓114(图3所示)固定于第一旋转部件111。在滑动驱动部件70的下端部例如通过粘接固定有环形磁铁31。啮合部700形成于滑动驱动部件70的轴向的中央部，并在其周向的一部分与滑块71啮合。滑动驱动部件70形成为其下端部的外径比啮合部700的外径小，在该下端部的外周面嵌合有环形磁铁31。
在本实施方式中，啮合部700呈外螺纹状，在其外周面形成有一条螺旋槽700a。在该螺旋槽700a啮合有滑块71的多个突起710a。而且，若滑动驱动部件70与第一旋转部件111一同旋转，则通过螺旋槽700a与多个突起710a的啮合，滑块71被引导部件72引导而上下移动。
滑块71具有形成有多个突起710a的啮合部710以及夹持引导部件72的一对被引导部711。而且，滑块71的在滑动驱动部件70的周向上的移动被一对被引导部711限制，从而伴随着第一旋转部件111的旋转而沿着引导部件72的长度方向移动。
若支承于滑块71的滑动磁铁32与滑块71一同向下方移动，则滑动磁铁32与第二磁检测元件62的距离变短，由第二磁检测元件62检测出的Z方向的磁场的强度增强。另一方面，若滑动磁铁32与滑块71一同向上方移动，则滑动磁铁32与第二磁检测元件62的距离变长，由第二磁检测元件62检测的Z方向的磁场的强度减弱。
在滑动驱动部件70的啮合部700，在即便将方向盘10转向至左右的最大转向角的情况下，仍能够通过与滑块71的啮合使滑动磁铁32在相对于第二磁检测元件62接近以及远离的方向移动的范围内形成有螺旋槽700a。
另外，第二磁检测元件62与环形磁铁31的外周面对置地配置，若环形磁铁31旋转，则环形磁铁31的N极311以及S极312交替地与第二磁检测元件62相对。
第二磁检测元件62以及滑动磁铁32配置于比第一集磁环51以及第二集磁环52的环状部511、521的径向外边缘更接近旋转轴线O的位置。换句话说，在从与旋转轴线O平行的方向观察转矩转向角传感器2的情况下，第二磁检测元件62以及滑动磁铁32位于比环状部511、521的外周端更靠内侧的位置。由此，能够抑制转矩转向角传感器2的向径向的大型化。
(转矩转向角传感器的动作)
转矩转向角传感器2的转矩检测部2a的转向转矩的检测通过第一磁检测元件61进行。在未对转向轴11施加转向转矩的情况下，如图4(a)所示，环形磁铁31的周向的第一磁轭41以及第二磁轭42的对置片411、421的中央部同环形磁铁31的N极311与S极321的边界部相对。在该状态下，由第一磁检测元件61检测出的磁场的强度实际为零。
另一方面，若对转向轴11施加转向转矩而使扭杆113扭曲，则通过该扭曲，使环形磁铁31与第一磁轭41以及第二磁轭42相对旋转，第一磁轭41以及第二磁轭42的对置片411、421相对于环形磁铁31的磁极(N极311以及S极312)的对置位置在环形磁铁31的周向上偏移。
例如若环形磁铁31相对于第一磁轭41以及第二磁轭42在图4(b)的箭头A方向旋转规定角度(例如5°)，则与第一磁轭41的对置片411在轴向对置的环形磁铁31的磁极中的N极311占据的比例比S极312高。另外，与第二磁轭42的对置片421在轴向对置的环形磁铁31的磁极中的S极312占据的比例比N极311高。由此，从N极311释放的磁通的一部分经由第一磁轭41以及第一集磁环51通过第一磁检测元件61，经由第二集磁环52以及第二磁轭42返回S极312。
另一方面，在环形磁铁31相对于第一磁轭41以及第二磁轭42向与箭头A方向相反的方向旋转的情况下，与第一磁轭41的对置片411在轴向对置的环形磁铁31的磁极中的S极312占据的比例比N极311高，与第二磁轭42的对置片421在轴向对置的环形磁铁31的磁极中的N极311占据的比例比S极312高。由此，磁通沿与上述相反的方向通过第一磁检测元件61。
扭杆113的扭曲量越大，由第一磁检测元件61检测的磁场的强度(绝对值)越强。这样，由第一磁检测元件61检测的磁场的强度与扭杆113的扭曲对应地变化，其磁场的方向与扭杆113的扭曲方向对应地切换。
在控制装置20的转矩转向角运算部21(参照图1)中，基于表示由第一磁检测元件61检测出的磁场的强度的输出信号，运算出转向转矩。
接下来，参照图7以及图8对转矩转向角传感器2的转向角检测时的动作进行说明。
图7(a)是表示沿着旋转轴线O从上方观察环形磁铁31以及第二磁检测元件62的状态的示意图，图7(b)是表示由第二磁检测元件62检测的X方向以及Y方向的磁场的强度的变化的图表。在图7(b)中，示出了以第二磁检测元件62与环形磁铁31的N极311的周向中央的位置对置的情况下的第一旋转部件111的旋转角度为基准位置(0°)，第一旋转部件111从该基准位置向ー个方向以及相反方向分别旋转90°的情况下的X方向的磁场的强度(B(X))以及Y方向的磁场的强度(B(Y))的变化。
由第二磁检测元件62检测的Y方向的磁场的强度(B(Y))在第二磁检测元件62与N极311的周向中央的位置对置的情况下成为正的最大值，在第二磁检测元件62与S极312的周向中央的位置对置的情况下成为负的最大值。在本实施方式中，环形磁铁31的磁极的个数为四个，因此若第一旋转部件111旋转90°，则由第二磁检测元件62检测的Y方向的磁场的强度(B(Y))从正的最大值变化至负的最大值。
另一方面，由第二磁检测元件62检测的X方向的磁场的强度(B(X))在第二磁检测元件62与N极311或者S极312的周向中央的位置对置的情况下成为零，在第二磁检测元件62对置的磁极从N极311向S极312，或者从S极312向N极311变化时，成为正或者负的最大值。
这样，如图7(b)所示，由第二磁检测元件62检测的X方向的磁场的强度(B(X))与Y方向的磁场的强度(B(Y))相位不同，在本实施方式中，其相位差为45°。通过该相位差，在以基准位置为中心的±90°的范围内，由第二磁检测元件62检测的X方向的磁场的强度(B(X))与Y方向的磁场的强度(B(Y))的组合不成为相同的组合，基于这些磁场强度(B(X)、B(Y))的组合，能够唯一地求得第一旋转部件111的旋转角度。
但是，通过上述的检测方法，也能够求得从转向角的基准位置的变化量，但无法求得转向角的绝对角度。因此，在本实施方式中，使用由第二磁检测元件62检测的Z方向的磁场的强度(B(Z))，能够将转向角求得为绝对角度。
图8(a)是表示在使方向盘10向一个方向以一定的速度旋转的情况下，由第二磁检测元件62检测的Z方向的磁场的强度(B(Z))的时间变化的图表。图8(b)是表示在与图8(a)的图表共通的时间轴中，由转矩转向角运算部21求得的转向角度(绝对值)的时间变化的图表。
如上所述，滑动机构7伴随着第一旋转部件111的旋转，而使滑动磁铁32沿着Z方向在相对于第二磁检测元件62接近以及远离的方向上移动，因此在方向盘10例如从左旋转方向的最大转向角旋转至右旋转方向的最大转向角的情况下，由第二磁检测元件62检测的Z方向的磁场的强度(B(Z))以大致一定的比例单调地变化。
在图8(a)中，以由第二磁检测元件62检测的Z方向的磁场的强度(B(Z))伴随着方向盘10的旋转单调地减少的情况为例进行图示。另外，在图8(b)中，图示了在将时刻t1～t2、t2～t3、…t7～t8分别设为一个周期T的情况下，在该每个周期T，基于由第二磁检测元件62检测的X方向以及Y方向的磁场的强度求得的转向角在从-90°至+90°的范围内变化的情况。
在转矩转向角运算部21中，进行如下运算：基于由第二磁检测元件62检测的X方向以及Y方向的磁场的强度在从-90°至+90°的范围内运算出转向角，基于由第二磁检测元件62检测的Z方向的磁场的强度使通过上述运算求得的转向角偏置，从而求得转向角的绝对值。即，通过由第二磁检测元件62检测的X方向以及Y方向的磁场的强度求得的转向角仅在±90°(180°)的范围内，但在该±90°的范围内，由第二磁检测元件62检测的Z方向的磁场的强度分别相互不同，因此对在±90°的范围内求得的转向角加上与由第二磁检测元件62检测的Z方向的磁场的强度对应的规定的角度，从而能够求得转向角的绝对值。
(实施方式的作用以及效果)
根据以上说明的第一实施方式，能够求得以下的作用以及效果。
(1)环形磁铁31、第一磁轭41以及第二磁轭42因扭杆113的扭曲而相对旋转，由第一磁检测元件61检测的磁场的强度与该相对旋转的角度对应地变化，从而能够检测转向转矩。另外，第二磁检测元件62能够检测从环形磁铁31接受的磁场的强度以及从滑动磁铁32接受的磁场的强度，从而能够在转矩转向角运算部21机械地求得转向角的绝对值。再者，滑动磁铁32在第二磁检测元件62产生与环形磁铁31不同方向的磁场，因此能够基于一个磁检测元件(第二磁检测元件62)的检测结果求得转向角的绝对值，从而能够抑制转矩转向角传感器2的成本增加以及大型化。
(2)第二磁检测元件62能够检测环形磁铁31的周向以及径向的磁场的强度，因此如参照图7(b)说明的那样，能够通过简单的运算正确地求得±90°的范围的转向角。
(3)滑动机构7使滑动磁铁32沿与转向轴11的旋转轴线O平行的方向移动，因此能够抑制转矩转向角传感器2向以旋转轴线O为中心的径向大型化。
(4)滑动机构7构成为具有支承滑动磁铁32的滑块71、与滑块71啮合的滑动驱动部件70以及与旋转轴线O平行地引导滑块71的引导部件72，因此能够通过简单的结构，使滑动磁铁32与旋转轴线O平行地移动。
(5)环形磁铁31配置于与第一集磁环51以及第二集磁环52沿旋转轴线O方向偏移的位置，因此与假设将第一集磁环51以及第二集磁环52配置于环形磁铁31的外周侧的情况相比，能够使转矩转向角传感器2在径向上小型化。另外，第一磁轭41以及第二磁轭42各自的对置片411、421与环形磁铁31的轴向端面平行地对置，因此能够缩小环形磁铁31与第一磁轭41以及第二磁轭42之间的磁阻。
(6)第一集磁环51以及第二集磁环52的环状部511、521呈径向的宽度比轴向的厚度大的圆环板状，因此能够使转矩检测部2a在轴向上小型化。另外，第一磁轭41以及第二磁轭42呈交接部413、423的前端部与第一集磁环51以及第二集磁环52的环状部511、521的内径对应的曲率的圆弧状，因此能够缩窄交接部413、423的前端面413a、423a与环状部511、521的内周面511a、521a之间的空隙，从而能够缩小第一磁轭41以及第二磁轭42与第一集磁环51以及第二集磁环、52之间的磁阻。
(7)第二磁检测元件62以及滑动磁铁32配置于比第一集磁环51以及第二集磁环52的环状部511、521的径向外边缘更靠近旋转轴线O的位置，因此能够抑制转矩转向角传感器2的向径向的大型化。
(8)第一磁检测元件61与第二磁检测元件62配置于隔着旋转轴线O的位置，因此能够抑制与第二磁检测元件62对置地配置的滑动磁铁32的磁场对第一磁检测元件61的磁场强度的检测结果带来影响，从而能够避免滑动磁铁32的磁场引起的转矩检测的精度下降。
(9)环形磁铁31的磁极为四极，因此与磁极为两极的情况相比，转向角的旋转精度增高。换句话说，由第二磁检测元件62检测的X方向以及Y方向的磁场的强度，与磁极数为两个的情况相比，在较窄的角度范围内，从正的最大值变化至负的最大值，因此能够提高转向角的分辨率。此外，环形磁铁31的磁极不限定于四极，例如也可以为六极、八极，将环形磁铁31的磁极形成四极以上，从而能够高精度地求得转向角。
[第二实施方式]
接下来，参照图9(a)～图9(c)对本发明的第二实施方式进行说明。本实施方式的转矩转向角传感器相对于第一实施方式的转矩转向角传感器2，除了转矩检测部2a'的结构不同外，构成为相同，因此对作为该不同的部分的转矩检测部2a'详细地进行说明。
图9(a)是与第二磁检测元件62一同表示本实施方式的转矩转向角传感器的转矩检测部2a'的结构的立体图。图9(b)是表示构成转矩检测部2a'的第一磁轭41的立体图。图9(c)是表示构成转矩检测部2a'的第二磁轭42的立体图。
在第一实施方式中，对由两个N极311以及两个S极312构成的四个磁极形成于环形磁铁31的情况进行了说明，但在本实施方式中，在环形磁铁31形成有由四个N极311以及四个S极312构成的八个磁极。
另外，在第一实施方式中，对转矩检测部2a具有两个第一磁轭41以及两个第二磁轭42的情况进行了说明，但本实施方式的转矩检测部2a'具有四个第一磁轭41以及四个第二磁轭42。这些第一磁轭41以及第二磁轭42保持于由树脂构成的省略图示的保持部件。
再者，在第一实施方式中，第一集磁环51以及第二集磁环52的环状部511、521呈径向的宽度比轴向的厚度大的圆环板状，但在本实施方式中，第一集磁环51以及第二集磁环52的环状部511、521呈轴向的宽度比径向的厚度大的圆筒状。第一磁检测元件61对置配置于第一集磁环51的对置部513与第二集磁环52的对置部523之间。
在第一集磁环51中，连结环状部511与对置部513的连结部512从环状部511的上端部向上方延伸，对置部513从连结部512的上端部向环状部511的外侧延伸。另外，在第二集磁环52中，连结环状部521与对置部523的连结部522从环状部521的下端部向下方延伸，对置部523从连结部522的下端部向环状部521的外侧延伸。第一集磁环51以及第二集磁环52的环状部511、521与环形磁铁31配置于同一轴上。
第一磁轭41具有与环形磁铁31的N极311的轴向端面平行地对置的对置片411、在与第一集磁环51的环状部511之间交接磁通的交接部413以及在对置片411与交接部413之间传递磁通的传递部412。传递部412由与旋转轴线O平行的轴向传递部412a以及从轴向传递部412a的下端部朝向第一集磁环51的环状部511沿径向延伸的径向传递部412b构成。交接部413呈与第一集磁环51的环状部511的内周面51la在径向对置的板状。
第二磁轭42具有与环形磁铁31的S极312的轴向端面平行地对置的对置片421、在与第二集磁环52的环状部521之间交接磁通的交接部423以及在对置片421与交接部423之间传递磁通的传递部422。传递部422与交接部423由一片平板构成，其中，与第二集磁环52的环状部521的内周面521a对置的部分为交接部423，比交接部423更靠环形磁铁31侧的部分为传递部422。换句话说，交接部423呈与第二集磁环52的环状部521的内周面521a在径向对置的板状。
本实施方式的转矩转向角传感器的动作与第一实施方式说明的动作相同。
通过本实施方式，也能够获得与第一实施方式说明的作用以及效果相同的作用以及效果。另外，环形磁铁31具有八个磁极，因此提高了转向转矩以及转向角的检测精度。
(实施方式的总结)
接下来，针对从以上说明的实施方式掌握的技术思想，引用实施方式的附图标记等来记载。但是，以下记载的各附图标记不限定于在实施方式中具体地表示权利要求书的构成要素的部件等。
[1]一种转矩转向角传感器(2)，其配置于电动动力转向装置(1)的第一旋转部件(111)与第二旋转部件(112)的连结部，并检测方向盘(10)的转向角以及转向转矩，其中电动动力转向装置(1)具有由与方向盘(10)的转向转矩对应地产生扭转角度的扭杆(113)连结的上述第一旋转部件(111)与上述第二旋转部件(112)，上述转矩转向角传感器(2)具备：环状的环形磁铁(31)，其沿着以上述第一旋转部件(111)以及上述第二旋转部件(112)的旋转轴线(O)为中心的周向形成有极性不同的多个磁极(311以及312)，并与上述第一旋转部件(111)一同旋转；多个磁路形成部件(第一磁轭41以及第二磁轭42)，其形成上述环形磁铁(31)的磁通的磁路，与上述环形磁铁(31)的上述多个磁极(N极311以及S极312)的相对的位置关系同上述扭杆(113)的扭曲对应地变化；一对集磁环(51、52)，其收集上述多个磁路形成部件(41、42)的磁通；第一磁检测元件(61)，其能够检测上述一对集磁环(51、52)之间的磁场的强度；第二磁检测元件(62)，其配置为在接受来自上述环形磁铁(31)的磁场的位置固定于不因上述第一旋转部件(111)的旋转而旋转的非旋转部件(82)；滑动磁铁(32)，其在上述第二磁检测元件(62)产生与上述环形磁铁(31)不同的方向的磁场；以及滑动机构(7)，其伴随着上述第一旋转部件(111)的旋转而使上述滑动磁铁(32)在相对于上述第二磁检测元件(62)接近及远离的方向上移动，上述第二磁检测元件(62)能够检测从上述环形磁铁(31)接受的磁场的强度以及从上述滑动磁铁(32)接受的磁场的强度。
[2]根据上述[1]所记载的转矩转向角传感器(2)，上述第二磁检测元件(62)与上述环形磁铁(31)的外周面对置地配置，并能够检测上述环形磁铁(31)的周向以及径向的磁场的强度。
[3]根据上述[1]或[2]所记载的转矩转向角传感器(2)，上述滑动机构(7)使上述滑动磁铁(32)在与上述旋转轴线(O)平行的方向上移动。
[4]根据上述[3]所记载的转矩转向角传感器(2)，上述滑动机构(7)具有：支承上述滑动磁铁(32)的支承部件(71)、与上述第一旋转部件(111)一同旋转并在外周面呈螺旋状地形成有与上述支承部件(71)啮合的啮合部(700)的环状部件(滑动驱动部件70)以及固定于上述非旋转部件(110)并与上述旋转轴线(O)平行地引导上述支承部件(71)的引导部件(72)。
[5]根据上述[1]至[4]中任一项所记载的转矩转向角传感器(2)，上述环形磁铁(31)配置于在上述旋转轴线(O)方向上从上述一对集磁环(51、52)偏移的位置，上述多个磁路形成部件(41、42)分别具有与上述环形磁铁(31)的轴向端面平行地对置的对置片(411、421)、在与上述一对集磁环(51)中的任一个集磁环之间交接磁通的交接部(413、423)以及在上述对置片(411、421)与上述交接部(413、423)之间传递磁通的传递部(412、422)。
[6]根据上述[5]所记载的转矩转向角传感器(2)，上述一对集磁环(51、52)分别具有与上述环形磁铁(31)配置于同一轴上并在与上述磁路形成部件(41、42)的上述交接部(413、423)之间交接磁通的环状部(511、521)以及与上述第一磁检测元件(61)对置的对置部(513、523)，上述环状部(511、521)呈径向的宽度比轴向的厚度大的圆环板状，上述交接部(413、423)呈其前端部形成为与上述环状部(511、521)的内径对应的曲率的圆弧状并在上述环状部(511、521)的径向上延伸，在上述环状部(511、521)的轴向上具有厚度的板状。
[7]根据上述[5]所记载的转矩转向角传感器(2)，上述一对集磁环(51、52)分别具有与上述环形磁铁(31)配置于同一轴上并在与上述磁路形成部件(41、42)的上述交接部(413、423)之间交接磁通的环状部(511、521)以及与上述第一磁检测元件(61)对置的对置部(513、523)，上述环状部(511、521)呈轴向的宽度比径向的厚度大的圆筒状，上述交接部(413、423)呈与上述环状部(511、521)的内周面(511a、521a)在径向对置的板状。
[8]根据上述[6]所记载的转矩转向角传感器(2)，上述第二磁检测元件(62)以及上述滑动磁铁(32)配置于比上述一对集磁环(51、52)的上述环状部(511、521)的径向外边缘更靠近上述旋转轴线(O)的位置。
[9]根据上述[1]至[8]中任一项所记载的转矩转向角传感器(2)，上述第一磁检测元件(61)与上述第二磁检测元件(62)配置于隔着上述旋转轴线(O)的位置。
[10]根据上述[1]至[9]中任一项所记载的转矩转向角传感器(2)，上述环形磁铁(31)的磁极为四极以上。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述所记载的实施方式不限定权利要求书所涉及的发明。另外，应当注意不限定在实施方式中说明的特征的组合的全部为在用于解决发明的课题方案中是必须的。

Claims (10)

1.一种转矩转向角传感器，其配置于电动动力转向装置的第一旋转部件与第二旋转部件的连结部，并检测方向盘的转向角以及转向转矩，其中，上述电动动力转向装置具有由与方向盘的转向转矩对应地产生扭转角度的扭杆连结的上述第一旋转部件与上述第二旋转部件，
上述转矩转向角传感器的特征在于，具备：
环状的环形磁铁，其沿着以上述第一旋转部件以及上述第二旋转部件的旋转轴线为中心的周向形成有极性不同的多个磁极，并与上述第一旋转部件一同旋转；
多个磁路形成部件，其形成上述环形磁铁的磁通的磁路，上述多个磁路形成部件与上述环形磁铁的上述多个磁极的相对位置关系同上述扭杆的扭曲对应地变化；
一对集磁环，其收集上述多个磁路形成部件的磁通；
第一磁检测元件，其能够检测上述一对集磁环之间的磁场的强度；
第二磁检测元件，其配置为在接受来自上述环形磁铁的磁场的位置固定于非旋转部件，该非旋转部件不因上述第一旋转部件的旋转而旋转；
滑动磁铁，其在上述第二磁检测元件产生与上述环形磁铁不同的方向的磁场；以及
滑动机构，其伴随着上述第一旋转部件的旋转而使上述滑动磁铁在相对于上述第二磁检测元件接近及远离的方向上移动，
上述第二磁检测元件能够检测从上述环形磁铁接受的磁场的强度以及从上述滑动磁铁接受的磁场的强度。
2.根据权利要求1所述的转矩转向角传感器，其特征在于，
上述第二磁检测元件与上述环形磁铁的外周面对置地配置，并能够检测上述环形磁铁的周向以及径向的磁场的强度。
3.根据权利要求1或2所述的转矩转向角传感器，其特征在于，
上述滑动机构使上述滑动磁铁在与上述旋转轴线平行的方向上移动。
4.根据权利要求3所述的转矩转向角传感器，其特征在于，
上述滑动机构具有：
支承上述滑动磁铁的支承部件；
与上述第一旋转部件一同旋转并在外周面呈螺旋状地形成有与上述支承部件啮合的啮合部的环状部件；以及
固定于上述非旋转部件并与上述旋转轴线平行地引导上述支承部件的引导部件。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的转矩转向角传感器，其特征在于，
上述环形磁铁配置于在上述旋转轴线方向上从上述一对集磁环偏移的位置，
上述多个磁路形成部件分别具有与上述环形磁铁的轴向端面平行地对置的对置片、在与上述一对集磁环中的任一个集磁环之间交接磁通的交接部、以及在上述对置片与上述交接部之间传递磁通的传递部。
6.根据权利要求5所述的转矩转向角传感器，其特征在于，
上述一对集磁环分别具有与上述环形磁铁配置于同一轴上并在与上述磁路形成部件的上述交接部之间交接磁通的环状部、以及与上述第一磁检测元件对置的对置部，
上述环状部呈径向的宽度比轴向的厚度大的圆环板状，
上述交接部呈其前端部形成为与上述环状部的内径对应的曲率的圆弧状并在上述环状部的径向上延伸，在上述环状部的轴向上具有厚度的板状。
7.根据权利要求5所述的转矩转向角传感器，其特征在于，
上述一对集磁环分别具有与上述环形磁铁配置于同一轴上并在与上述磁路形成部件的上述交接部之间交接磁通的环状部、以及与上述第一磁检测元件对置的对置部，
上述环状部呈轴向的宽度比径向的厚度大的圆筒状，
上述交接部呈与上述环状部的内周面在径向对置的板状。
8.根据权利要求6所述的转矩转向角传感器，其特征在于，
上述第二磁检测元件以及上述滑动磁铁配置于比上述一对集磁环的上述环状部的径向外边缘更靠近上述旋转轴线的位置。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的转矩转向角传感器，其特征在于，
上述第一磁检测元件与上述第二磁检测元件配置于隔着上述旋转轴线的位置。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的转矩转向角传感器，其特征在于，
上述环形磁铁的磁极为四极以上。
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