JP2006292423A - 回転角度センサ及びこれを用いたトルクセンサ、操舵角センサ、ステアリング装置並びにパワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 操舵力検出や操舵角検出に好適な回転角度センサを提供する。
【解決手段】 径方向外方に向いた複数のＮ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶよう円筒状に形成された磁石１と、磁石１から間隔を隔てて磁石１を囲むよう環状に形成され磁石１の軸方向の異なる位置に配置された２つの磁気ヨーク２，３と、一方の磁気ヨーク２の内周から径方向内方に突き出て磁石１のＮ極に臨むＮ極突起４と、他方の磁気ヨーク３の内周から径方向内方に突き出て磁石１のＳ極に臨むＳ極突起５と、２つの磁気ヨーク２，３間に挟まれて配置され両磁気ヨーク２，３と磁石１とが相対的に回転することにより変化する両磁気ヨーク２，３間の磁束密度を検出する検出素子６とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転角度センサ及びこれを用いたトルクセンサ、操舵角センサ、ステアリング装置並びにパワーステアリング装置に関する。

車両のステアリング装置あるいはこれに電動式や油圧式の補助動力を付加したパワーステアリング装置において、ステアリングシャフトに生じているトルクを検出することと操舵角を検出することは、いずれも重要なことである。

ステアリング装置は、入力軸と出力軸とが弾性部材であるトーションバーを介して連結され、これら入力軸と出力軸間のトルク差によりトーションバーが捩れて入力軸と出力軸の回転角度が相対的に変化する構造を有する。

ステアリング装置に使用されるトルクセンサにおいては、従来、図１０に示されるように、トーションバー１０１には軸方向に並んだ互いに径の等しい３つの検出リング１０２，１０３，１０４が固定されている。これら検出リング１０２，１０３，１０４はいずれも鉄製であり、鉄製ケースとも呼ばれる。

第一検出リング１０２は出力軸１０５に近い位置に、第二検出リング１０３は中央に、第三検出リング１０４は入力軸１０６に近い位置に配置されてい１る。第一検出リング１０２には、入力軸側端に軸方向入力軸側に突き出た複数の突起１０７が周方向に所定のピッチで形成されている。突起１０７と突起１０７の間を谷と呼ぶことにする。第二検出リング１０３には、出力軸側端に軸方向出力軸側に突き出た複数の突起１０８が周方向に所定のピッチで形成されている。双方のリングの突起１０７，１０８は同一ピッチであるので、互いの１個の突起同士がずれなく対向しているとすると、他の突起同士も同じようにずれなく対向している。第三検出リング１０４の出力軸側端にも同様の突起１０９が形成されているが、第二検出リング１０３の入力軸側端には突起は形成されていない。

第一検出リング１０２と第二検出リング１０３との境界部（それぞれの突起がある部分）の外周を囲んで検出コイル１１０が設けられ、第二検出リング１０３と第三検出リング１０４との境界部の外周を囲んで補償コイル１１１が設けられている。

検出コイル１１０に電流を流すと、軸方向に磁界が発生するので、検出コイル１１０の入力軸側端から出た磁束は第二検出リング１０３から第一検出リング１０２を経由して検出コイル１１０の出力軸側端に戻るという磁気回路が形成される。このとき、第一検出リング１０２と第二検出リング１０３の突起１０７，１０８同士がずれなく対向していると、磁束がよく導かれるので、磁気回路の磁気抵抗が小さい。しかし、トーションバー１０１が捩れると、トーションバー１０１に固定されている第一検出リング１０２と第二検出リング１０３は、それぞれ異なった回転角度を持つことになり、突起１０７，１０８同士がずれてくる。このため、磁気回路の磁気抵抗が大きくなる。このような磁気抵抗の変化からトーションバー１０１の捩れ角を知り、入力軸１０５と出力軸１０６間のトルク差を知ることができる。

上記の磁気抵抗は、トルクセンサの構成部品の温度により変化してしまうので、補償コイル１１１の働きで温度変化による磁気抵抗変化を補償するようになっている。

特開平５−１４９８０５号公報 特開２００４−０２０５２７号公報 特開２００３−１４９０６２号公報

前述したトルクセンサは、当然のことながらトルクしか検出できず、車両のステアリング装置に適用して操舵力を検出できても操舵角は検出できない。

また、従来技術に用いている鉄製ケース（検出リング）には、磁気抵抗に関していくつかの問題がある。つまり、磁気抵抗は、鉄製ケースの材料の特性（成分組成、組成％、加工度など）に影響を受けるので、材料管理に注意を払わねばならない。また、鉄製ケースは、加工後、材料特性が変化してしまうので、加工後熱処理をしなければならない。磁気抵抗は、鉄製ケースの寸法精度に影響を受けるので、高い加工精度が要求される。鉄製ケースは、本体と蓋に分かれている。本体と蓋ギャップは磁気抵抗に大きく影響するので、鉄製ケース組立時ギャップ管理が必要になる（加工精度が必要）。

また、従来技術は、コイルにより磁界を発生させているため、コイル製造時のインダクタンスの微小な変化によって検出感度が大幅にずれてしまう。また、１つのコイルが起磁力を与える部分と検出を行う部分とを同時に兼ねているため、インダクタンスの変化による影響が非常に大きい。

こうした背景の中で、本出願人は、以下のような回転角度センサを実現することを目指した。

トルクだけでなく操舵角も検出できる回転角度センサ。

温度等の周囲環境に影響されにくい回転角度センサ。

センサの特性が材料等に影響されにくい回転角度センサ。

信頼性の高いトルク（操舵力）と操舵角が検出できる回転角度センサ。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、操舵力検出や操舵角検出に好適な回転角度センサを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の回転角度センサは、径方向外方に向いた複数のＮ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶよう円筒状に形成された磁石と、上記磁石から間隔を隔てて上記磁石を囲むよう環状に形成され上記磁石の軸方向の異なる位置に配置された２つの磁気ヨークと、一方の磁気ヨークの内周から径方向内方に突き出て上記磁石のＮ極に臨むＮ極突起と、他方の磁気ヨークの内周から径方向内方に突き出て上記磁石のＳ極に臨むＳ極突起と、上記２つの磁気ヨーク間に挟まれて配置され両磁気ヨークと上記磁石とが相対的に回転することにより変化する両磁気ヨーク間の磁束密度を検出する検出素子とを備えたものである。

また、本発明の回転角度センサは、径方向内方に向いた複数のＮ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶよう円筒状に形成された磁石と、上記磁石の径方向内側であって上記磁石の軸方向の異なる位置に配置され上記磁石から間隔を隔てた２つの磁気ヨークと、一方の磁気ヨークの外周から径方向外方に突き出て上記磁石のＮ極に臨むＮ極突起と、他方の磁気ヨークの外周から径方向外方に突き出て上記磁石のＳ極に臨むＳ極突起と、上記２つの磁気ヨーク間に挟まれて配置され両磁気ヨークと上記磁石とが相対的に回転することにより変化する両磁気ヨーク間の磁束密度を検出する検出素子とを備えたものである。

上記磁石、上記２つの磁気ヨーク及び上記検出素子が磁気シールドで覆われていてもよい。

また、本発明のトルクセンサは、入力軸と出力軸とが弾性部材を介して連結され、上記入力軸と上記出力軸間のトルク差により上記弾性部材が変形して上記入力軸と上記出力軸の回転角度が相対的に変化する構造における上記トルク差を検出するトルクセンサにおいて、上記回転角度センサを構成する上記磁石と上記２つの磁気ヨークのうち、上記磁石が上記入力軸か上記出力軸のうちの一方の軸に取り付けられ、上記２つの磁気ヨークが他方の軸に取り付けられ、これら２つの磁気ヨーク間に上記検出素子が配置され、この検出素子が検出する磁束密度の変化として表れる上記回転角度の相対的変化と上記弾性部材の弾性とから上記トルク差を求める演算回路を有するものである。

また、本発明の操舵角センサは、車両のステアリングシャフトの回転角度から操舵角を検出する操舵角センサにおいて、上記回転角度センサを構成する上記磁石と上記２つの磁気ヨークのうちいずれか一方が上記ステアリングシャフトに取り付けられ、他方が上記ステアリングシャフトを支持する車両内固定部に取り付けられ、これら２つの磁気ヨーク間に上記検出素子が配置され、この検出素子が検出する磁束密度の周期的変化の繰り返し回数を計数して上記ステアリングシャフトの回転角度を操舵角として求める演算回路を有するものである。

上記磁石１つに対して上記２つの磁気ヨークと上記検出素子の組が２組になるよう、これら４つの磁気ヨークが上記１つの磁石の軸方向に並べられ、一方の組の上記Ｎ極突起及びＳ極突起と他方の組の上記Ｎ極突起及びＳ極突起とが上記磁石におけるＮ極とＳ極の配置ピッチの１／４ずれて配置され、各組の検出素子が検出する磁束密度の変化の組み合わせから上記ステアリングシャフトの回転方向を求める演算回路を有してもよい。

また、本発明のステアリング装置は、車両のステアリングシャフトの入力軸に、径方向外方に向いた複数のＮ極及びＳ極が周方向に交互に並ぶよう円筒状に形成された磁石を取り付け、上記入力軸に弾性部材を介して連結された出力軸に、上記磁石から間隔を隔てて上記磁石を囲むよう環状に形成され上記磁石の軸方向の異なる位置に配置された２つのトルク検出用磁気ヨークを取り付け、一方のトルク検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出てＮ極に臨むＮ極突起を形成し、他方のトルク検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出て上記磁石のＳ極に臨むＳ極突起を形成し、上記２つのトルク検出用磁気ヨーク間に挟んでトルク検出用検出素子を配置し、さらに、上記ステアリングシャフトを支持する車両内固定部に、上記磁石から間隔を隔てて上記磁石を囲むよう環状に形成され上記磁石の軸方向の異なる位置に配置された２つの回転角度検出用磁気ヨークを取り付け、一方の回転角度検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出てＮ極に臨むＮ極突起を形成し、他方の回転角度検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出て上記磁石のＳ極に臨むＳ極突起を形成し、上記２つの回転角度検出用磁気ヨーク間に挟んで回転角度検出用検出素子を配置し、上記トルク検出用検出素子が検出する磁束密度の変化として表れる上記２つのトルク検出用磁気ヨークと上記磁石との回転角度の相対的変化と上記弾性部材の弾性とから上記入力軸と上記出力軸間のトルク差を求めると共に上記回転角度検出用検出素子が検出する磁束密度の周期的変化の繰り返し回数を計数して上記ステアリングシャフトの回転角度を操舵角として求める演算回路を設けたものである。

また、本発明のパワーステアリング装置は、車両のステアリングシャフトの入力軸と出力軸とのトルク差に応じて上記出力軸に補助動力を加えるようにしたパワーステアリング装置において、上記トルクセンサにより上記トルク差を求め、このトルク差により補助動力を制御する制御回路を設けたものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）操舵力検出にも操舵角検出にも適用できる。

（２）構成が簡素である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る回転角度センサは、径方向外方に向いた複数のＮ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶよう円筒状に形成された永久磁石（以下、単に磁石という）１と、磁石１から間隔を隔てて磁石１を囲むよう環状に形成され磁石１の軸方向の異なる位置に配置された２つの磁気ヨーク２，３と、一方の磁気ヨーク２の内周から径方向内方に突き出て磁石１のＮ極に臨むＮ極突起４と、他方の磁気ヨーク３の内周から径方向内方に突き出て磁石１のＳ極に臨むＳ極突起５と、２つの磁気ヨーク２，３間に挟まれて配置され両磁気ヨーク２，３と磁石１とが相対的に回転することにより変化する両磁気ヨーク２，３間の磁束密度を検出する検出素子６とを備えたものである。

この回転角度センサは、２つの磁気ヨーク２，３と磁石１との相対回転角度を検出するものである。詳しい構造は図示していないが磁気ヨーク２と磁気ヨーク３は一体的に回転し、磁石１は２つの磁気ヨーク２，３とは独立に回転する。一方が固定系であってもよい。

磁石１は、外部磁界によって磁化された後に外部磁界が無くても磁化を残す硬磁性体に着磁をして構成される。本発明に用いる磁石１は、多極着磁磁石と呼ばれるもので、この例では、径方向外方に向けて着磁されているので外周面に磁極が表れる。各磁極の幅（周方向）は同じであり、自然数ｎ個のＮ極とｎ個のＳ極とが配置されるとすると、磁極幅を角度で表すと外周３６０°を２ｎ等分したものとなり、磁極配置ピッチは外周３６０°をｎ等分したものとなる。例えば、ｎ＝４であれば磁極幅は４５°、磁極配置ピッチは９０°である。

磁気ヨーク２，３を構成するヨーク部材７は、外部磁界によって磁化された後に外部磁界が無くなると元に戻る軟磁性体で構成される。ヨーク部材７は、磁石１の外形よりも大きい内径を有し幅（径方向）が一定な環状部８と、その環状部と一体的に形成され環状部の内周から径方向内方に突き出て磁石１に近接するｎ個の突起部９とからなる。突起部９は、磁極幅と同等の幅（周方向）を有し、先端が磁石１の外周面に倣うよう円弧状に窪んでいる。

磁気ヨーク２，３は同じヨーク部材７を用いて構成される。磁気ヨーク２の配置角度と磁気ヨーク３の配置角度を磁極幅３６０°／２ｎだけずらすことにより、それぞれのヨーク部材７の突起部９は、Ｎ極に臨むＮ極突起４とＳ極に臨むＳ極突起５になる。もちろん、これらＮ極突起４、Ｓ極突起５は、磁石１との相対回転によりＮ極、Ｓ極から外れてくるが、ある瞬時にＮ極突起４がＮ極に正対しているとＳ極突起５がＳ極に正対するということである。Ｎ極突起４がＮ極から外れてくるとＳ極突起５もＳ極から外れてくる。Ｎ極突起４がＮ極から完全に外れるとＮ極突起４がＳ極に正対する。

検出素子６は、面を通過する磁束密度の増減に応じて電気量（電流、電圧、抵抗など）が増減する部材である。よって、磁束が通過する面を両磁気ヨーク２，３に向けて配置するとよい。また、図では検出素子６と磁気ヨーク３が離れているように描かれているが、検出素子６は２つの磁気ヨーク２，３に挟み付けるとよい。また、検出素子６は、図示しない演算回路に信号線で繋ぐために固定系に取り付けるとよい。

図１の回転角度センサの動作原理を説明する。

いま、磁気ヨーク２のＮ極突起４が磁石１のＮ極に正対しているとする。これをＮ極の割合が１００％の状態と呼ぶことにする。Ｎ極から径方向外方に出た磁束はほぼ１００％Ｎ極突起４に入る。磁気ヨーク２は、全てのＮ極突起４から磁束が入るので、磁気ヨーク２全体がＮ極性を帯びているとみなせる。このとき、磁気ヨーク３では、Ｓ極の割合が１００％の状態となり、磁気ヨーク３全体がＳ極性を帯びているとみなせる。磁気ヨーク２の環状部８と磁気ヨーク３の環状部８が対向しているので、磁気ヨーク２，３間に磁場が発生し、磁束が検出素子６を通る。

その後、２つの磁気ヨーク２，３と磁石１とが相対回転すると、Ｎ極の割合、Ｓ極の割合が１００％より減ってくる。これに応じて検出素子６を通る磁束が減少する。こうして検出素子６で検出する両磁気ヨーク２，３間の磁束密度が相対回転角度を表すことになる。検出素子６の出力信号の大きさは、Ｎ極突起４がＮ極に正対しているときを正の最大値とすると、Ｎ極突起４がＳ極に正対したときを負の最大値として、相対回転角度が磁極配置ピッチ３６０°／ｎ進むごとに周期的に変化するので、この周期範囲内で回転角度を検出することができる。

なお、図１の形態では、磁極が磁石１の径方向外方に向くものとしたが、径方向内方に向くものであってもよい。この場合、２つの磁気ヨークを磁石１の径方向内側に配置して各突起を径方向外方に突き出すことになる。

すなわち、図示しないが本発明に係る回転角度センサは、径方向内方に向いた複数のＮ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶよう円筒状に形成された磁石と、上記磁石の径方向内側であって上記磁石の軸方向の異なる位置に配置され上記磁石から間隔を隔てた２つの磁気ヨークと、一方の磁気ヨークの外周から径方向外方に突き出て上記磁石のＮ極に臨むＮ極突起と、他方の磁気ヨークの外周から径方向外方に突き出て上記磁石のＳ極に臨むＳ極突起と、上記２つの磁気ヨーク間に挟まれて配置され両磁気ヨークと上記磁石とが相対的に回転することにより変化する両磁気ヨーク間の磁束密度を検出する検出素子とを備えたものである。

本発明の回転角度センサは次のような利点を有する。

トルク検出だけでなく操舵角検出にも適用できる。

温度等の周囲環境に影響されにくい。すなわち、従来はコイルと鉄製ケースで磁気回路を発生させていたので、コイルのインピーダンスが温度によって変化することの影響を受けたが、本発明では永久磁石と磁気ヨークで磁気回路を発生させているので、温度の影響が抑えられ、温度特性が改善される。

センサの特性が材料等に影響されにくい。これは、コイルを使用しないため、部品点数が少なくなり、それだけ特性の変動要因が減ったことによる。

信頼性が高い。これは、コイルを使用しないため、断線の心配がなくなったことによる。

また、本発明の回転角度センサは、磁界を発生させる磁石１と、磁界を検出する検出素子６とが別部材であるため、磁石１と検出素子６との相互干渉による精度の減少を抑えることができる。

磁石１、２つの磁気ヨーク２，３及び検出素子６を図示しない磁気シールドで覆うとよい。

次に、図１の回転角度センサをトルクセンサに応用した例を説明する。

図示しないが、トルクセンサは、入力軸と出力軸とが弾性部材を介して連結され、上記入力軸と上記出力軸間のトルク差により上記弾性部材が変形して上記入力軸と上記出力軸の回転角度が相対的に変化する構造において、上記トルク差を検出するものである。ここでは、車両のステアリング装置を例に取り、入力軸の軸延長上に出力軸があり、両軸を連結する弾性部材はトーションバーである。

このトルクセンサにあっては、図１の回転角度センサを構成する磁石１と２つの磁気ヨーク２，３のうち、磁石１が出力軸に取り付けられ、２つの磁気ヨーク２，３が入力軸に取り付けられ、これら２つの磁気ヨーク２，３間に検出素子６が配置され、この検出素子が検出する磁束密度の変化として表れる上記回転角度の相対的変化と上記弾性部材の弾性とから上記トルク差を求める演算回路を有する。磁石１を入力軸に、２つの磁気ヨーク２，３を出力軸に取り付けてもよい。

このトルクセンサの動作を説明する。

入力軸と出力軸の回転角度が相対的に変化すると、磁気ヨーク２，３と磁石１とが相対回転することになり、前述の原理により相対回転角度を表す出力信号が検出素子６から出力される。演算回路は、既知であるトーションバーの捩りの弾性係数と相対回転角度とからトーションバーを捩っているトルク、すなわち入力軸と出力軸間のトルク差を求める。

次に、図１の回転角度センサを車両のステアリング装置における操舵角センサに応用した例を説明する。

図示しないが、本発明の操舵角センサは、図１の回転角度センサを構成する磁石１と２つの磁気ヨーク２，３のうち、磁石１がステアリングシャフトに取り付けられ、２つの磁気ヨーク２，３がステアリングシャフトを支持する車両内固定部に取り付けられ、これら２つの磁気ヨーク間に検出素子６が配置され、この検出素子６が検出する磁束密度の周期的変化の繰り返し回数を計数してステアリングシャフトの回転角度を操舵角として求める演算回路を有する。磁石１を車両内固定部に、２つの磁気ヨーク２，３をステアリングシャフトに取り付けてもよい。

なお、ここでは、ステアリングシャフトが入力軸から出力軸まで一体のステアリング装置を例に取ったが、入力軸と出力軸とが弾性部材を介して連結されたステアリング装置については、運転者がステアリングを操作している角度、すなわち操舵角を検出したい方の軸に磁石１又は２つの磁気ヨーク２，３を取り付ければよい。

この操舵角センサの動作を説明する。

図１の回転角度センサの説明で述べたように、検出素子６の出力信号の大きさは、相対回転角度が磁極配置ピッチ３６０°／ｎ進むごとに周期的に変化し、この周期範囲内で回転角度を検出することができる。この操舵角センサでは、演算回路が周期的変化の繰り返し回数を計数しているので、周期範囲を越えて、１回転分でも多回転分でも回転角度を検出することができる。

次に、これまで説明した本発明のトルクセンサと操舵角センサを複合して備えたステアリング装置を説明する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に、本発明に係るステアリング装置に用いる磁石と磁気ヨークを取り出した図を示す。図示のように、これまで説明したのと同様の磁石１が１つに対して６つのヨーク部材７が組み合わされている。左の２つのヨーク部材７は操舵角検出Ａ相用磁気ヨーク２１，２２を構成し、中の２つのヨーク部材７は操舵角検出Ｂ相用磁気ヨーク２３，２４を構成し、右の２つのヨーク部材７はトルク検出用磁気ヨーク２５，２６を構成するものである。また、図示していないが、それぞれの磁気ヨーク間に検出素子が設けられている。図２（ｂ）には、最も手前にあるトルク検出用磁気ヨーク２６のみを示しているので、複数のＳ極突起５が磁石１のＳ極に正対していることだけ表れているが、トルク検出用磁気ヨーク２５のＮ極突起はＳ極突起５間に位置し、また、操舵角検出Ａ相用磁気ヨーク２１，２２のＳ極突起及びＮ極突起がトルク検出用磁気ヨーク２５，２６のＳ極突起及びＮ極突起と同じ円周角上の位置にあるとすると、操舵角検出Ｂ相用磁気ヨーク２３，２４のＳ極突起及びＮ極突起は突起ひとつの半分だけずれたところに位置する。

図示しないが、本発明のステアリング装置は、車両のステアリングシャフトの入力軸に、径方向外方に向いた複数のＮ極及びＳ極が周方向に交互に並ぶよう円筒状に形成された磁石を取り付け、上記入力軸に弾性部材を介して連結された出力軸に、上記磁石から間隔を隔てて上記磁石を囲むよう環状に形成され上記磁石の軸方向の異なる位置に配置された２つのトルク検出用磁気ヨークを取り付け、一方のトルク検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出てＮ極に臨むＮ極突起を形成し、他方のトルク検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出て上記磁石のＳ極に臨むＳ極突起を形成し、上記２つのトルク検出用磁気ヨーク間に挟んでトルク検出用検出素子を配置し、さらに、上記ステアリングシャフトを支持する車両内固定部に、上記磁石から間隔を隔てて上記磁石を囲むよう環状に形成され上記磁石の軸方向の異なる位置に配置された２つの回転角度検出用磁気ヨークを取り付け、一方の回転角度検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出てＮ極に臨むＮ極突起を形成し、他方の回転角度検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出て上記磁石のＳ極に臨むＳ極突起を形成し、上記２つの回転角度検出用磁気ヨーク間に挟んで回転角度検出用検出素子を配置し、上記トルク検出用検出素子が検出する磁束密度の変化として表れる上記２つのトルク検出用磁気ヨークと上記磁石との回転角度の相対的変化と上記弾性部材の弾性とから上記入力軸と上記出力軸間のトルク差を求めると共に上記回転角度検出用検出素子が検出する磁束密度の周期的変化の繰り返し回数を計数して上記ステアリングシャフトの回転角度を操舵角として求める演算回路を設けたものである。

さらに、ここでは、上記回転角度検出用の構成において、磁石１の１つに対して２つの磁気ヨークと検出素子の組が２組になるよう、これら４つの磁気ヨーク（操舵角検出Ａ相用磁気ヨーク２１，２２と操舵角検出Ｂ相用磁気ヨーク２３，２４）が１つの磁石１の軸方向に並べられ、一方の組のｎ個のＮ極突起及びｎ個のＳ極突起と他方の組のｎ個のＮ極突起及びｎ個のＳ極突起とが磁石１におけるｎ個のＮ極とｎ個のＳ極の配置ピッチ３６０°／ｎの１／４ずれて配置され、各組の検出素子が検出する磁束密度の変化の組み合わせから上記ステアリングシャフトの回転方向を求める演算回路を設けたものである。

次に、本発明のトルクセンサと操舵角センサを複合して備えた別のステアリング装置を図２（ａ）、図２（ｂ）により説明する。

このステアリング装置の動作のうち、トルク検出用の部分については、既に説明済みのトルクセンサと同じである。また、操舵角検出用の部分については、Ａ相用又はＢ相用を既に説明済みの操舵角センサとして使用すればよい。そこで、以下ではＡ相用とＢ相用とを用いて行う回転方向検出に絞って説明する。

操舵角検出Ａ相用磁気ヨーク２１，２２と操舵角検出Ｂ相用磁気ヨーク２３，２４とが配置ピッチ３６０°／ｎの１／４ずれて配置されていることにより、操舵角検出Ａ相用磁気ヨーク２１においてＮ極突起４がＮ極に正対している状態から磁極配置ピッチ３６０°／ｎ進んで隣のＮ極に正対すると、操舵角検出Ａ相用検出素子の出力信号ＳＡが正の最大値から次の正の最大値まで１周期分変化し、一方、操舵角検出Ｂ相用検出素子の出力信号ＳＢはその周期の１／４ずれて変化する。つまり位相が１／４ずれる。

磁石１の回転方向がある方向（正転とする）のときに、出力信号ＳＢが出力信号ＳＡに対して位相が１／４遅れているとすると、逆転のときには出力信号ＳＢが出力信号ＳＡに対して位相が１／４進むことになる。よって、位相の進み・遅れから回転方向を検出することができる。

演算回路は、デジタル処理を行うマイコンで構成することができる。この場合、各検出素子の出力信号はＡ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換する。また、演算回路では、出力信号値を用いて数値演算により検出結果を出してもよいが、メモリ上にあらかじめ調べた出力信号値対検出値（回転角度値、トルク値、操舵角値）のテーブルを用意しておき、このテーブルから検出結果を出してもよい。

次に、本発明のパワーステアリング装置を説明する。

図３に示されるように、本発明に係るパワーステアリング装置は、車両のステアリングシャフトの入力軸１０６と出力軸１０５とのトルク差に応じて出力軸１０５に補助動力を加えるようにしたパワーステアリング装置において、既に説明したトルクセンサ１１により入力軸１０６と出力軸１０５とのトルク差を求め、このトルク差により補助動力を制御する制御回路１２を設けたものである。

詳しく述べると、このパワーステアリング装置は、ハンドル３１と、このハンドル３１の回転を伝達する入力軸１０６と、この入力軸１０６に連結されたトーションバー（図示せず）と、このトーションバーに連結された出力軸１０５と、補助動力源としてのモータ３２と、このモータの駆動力を出力軸１０５に伝える減速機３３と、出力軸１０５の先端に設けられたピニオン３４と、このピニオンに噛み合うラック３５と、このラック３５の両端に連結された左右の操舵輪３６，３７とを有する。

制御回路１２は、トルクセンサの演算回路を含んでおり、トルクセンサに入っている検出素子からの出力信号線が接続されている。また、制御回路１２からモータ３２へ補助動力制御線が接続されている。

図３のパワーステアリング装置の動作を説明する。

ハンドル３１をある方向（正転とする）に回転させると、これに伴って入力軸１０６が回転する。しかし、出力軸１０５は間接的に地面と操舵輪３６，３７との摩擦抵抗を受けているので、入力軸１０６とは同じに回転せず、トーションバーが捩れて、入力軸１０６と出力軸１０５とにトルク差が表れる。このトルク差がトルクセンサ１１により検出されることは既に説明した。

制御回路１２は、トルクセンサ１１の演算回路が求めたトルク差に応じてモータ３２への補助動力制御信号を調節する。すなわち、トルク差が大きいときには、モータ３２を正転方向に強く回し、トルク差が小さければモータ３２の力を弱めればよい。逆転のときも同様である。

この結果、運転者が操舵角を大きくとろうとしてハンドル３１を大きく回せば、減速機３３が出力軸１０５を回す補助動力も大きくなって出力軸１０５が強力に回転するので、運転者の負担が軽減される。

本発明の一実施形態を示す回転角度センサの斜視図である。 本発明のステアリング装置に用いる磁石と磁気ヨークを取り出して示した図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は端面図である。 本発明の一実施形態を示すパワーステアリング装置の構成図である。 従来のトルクセンサの斜視図である。

符号の説明

１ 磁石
２，３ 磁気ヨーク
４ Ｎ極突起
５ Ｓ極突起
６ 検出素子
７ ヨーク部材
８ 環状部
９ 突起部

Claims (8)

1. 径方向外方に向いた複数のＮ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶよう円筒状に形成された磁石と、上記磁石から間隔を隔てて上記磁石を囲むよう環状に形成され上記磁石の軸方向の異なる位置に配置された２つの磁気ヨークと、一方の磁気ヨークの内周から径方向内方に突き出て上記磁石のＮ極に臨むＮ極突起と、他方の磁気ヨークの内周から径方向内方に突き出て上記磁石のＳ極に臨むＳ極突起と、上記２つの磁気ヨーク間に挟まれて配置され両磁気ヨークと上記磁石とが相対的に回転することにより変化する両磁気ヨーク間の磁束密度を検出する検出素子とを備えたことを特徴とする回転角度センサ。
2. 径方向内方に向いた複数のＮ極とＳ極とが周方向に交互に並ぶよう円筒状に形成された磁石と、上記磁石の径方向内側であって上記磁石の軸方向の異なる位置に配置され上記磁石から間隔を隔てた２つの磁気ヨークと、一方の磁気ヨークの外周から径方向外方に突き出て上記磁石のＮ極に臨むＮ極突起と、他方の磁気ヨークの外周から径方向外方に突き出て上記磁石のＳ極に臨むＳ極突起と、上記２つの磁気ヨーク間に挟まれて配置され両磁気ヨークと上記磁石とが相対的に回転することにより変化する両磁気ヨーク間の磁束密度を検出する検出素子とを備えたことを特徴とする回転角度センサ。
3. 上記磁石、上記２つの磁気ヨーク及び上記検出素子が磁気シールドで覆われていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転角度センサ。
4. 入力軸と出力軸とが弾性部材を介して連結され、上記入力軸と上記出力軸間のトルク差により上記弾性部材が変形して上記入力軸と上記出力軸の回転角度が相対的に変化する構造における上記トルク差を検出するトルクセンサにおいて、請求項１〜３いずれか記載の回転角度センサを構成する上記磁石と上記２つの磁気ヨークのうち、上記磁石が上記入力軸か上記出力軸のうちの一方の軸に取り付けられ、上記２つの磁気ヨークが他方の軸に取り付けられ、これら２つの磁気ヨーク間に上記検出素子が配置され、この検出素子が検出する磁束密度の変化として表れる上記回転角度の相対的変化と上記弾性部材の弾性とから上記トルク差を求める演算回路を有することを特徴とするトルクセンサ。
5. 車両のステアリングシャフトの回転角度から操舵角を検出する操舵角センサにおいて、請求項１〜３いずれか記載の回転角度センサを構成する上記磁石と上記２つの磁気ヨークのうちいずれか一方が上記ステアリングシャフトに取り付けられ、他方が上記ステアリングシャフトを支持する車両内固定部に取り付けられ、これら２つの磁気ヨーク間に上記検出素子が配置され、この検出素子が検出する磁束密度の周期的変化の繰り返し回数を計数して上記ステアリングシャフトの回転角度を操舵角として求める演算回路を有することを特徴とする操舵角センサ。
6. 上記磁石１つに対して上記２つの磁気ヨークと上記検出素子の組が２組になるよう、これら４つの磁気ヨークが上記１つの磁石の軸方向に並べられ、一方の組の上記Ｎ極突起及びＳ極突起と他方の組の上記Ｎ極突起及びＳ極突起とが上記磁石におけるＮ極とＳ極の配置ピッチの１／４ずれて配置され、各組の検出素子が検出する磁束密度の変化の組み合わせから上記ステアリングシャフトの回転方向を求める演算回路を有することを特徴とする請求項５記載の操舵角センサ。
7. 車両のステアリングシャフトの入力軸に、径方向外方に向いた複数のＮ極及びＳ極が周方向に交互に並ぶよう円筒状に形成された磁石を取り付け、上記入力軸に弾性部材を介して連結された出力軸に、上記磁石から間隔を隔てて上記磁石を囲むよう環状に形成され上記磁石の軸方向の異なる位置に配置された２つのトルク検出用磁気ヨークを取り付け、一方のトルク検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出てＮ極に臨むＮ極突起を形成し、他方のトルク検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出て上記磁石のＳ極に臨むＳ極突起を形成し、上記２つのトルク検出用磁気ヨーク間に挟んでトルク検出用検出素子を配置し、さらに、上記ステアリングシャフトを支持する車両内固定部に、上記磁石から間隔を隔てて上記磁石を囲むよう環状に形成され上記磁石の軸方向の異なる位置に配置された２つの回転角度検出用磁気ヨークを取り付け、一方の回転角度検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出てＮ極に臨むＮ極突起を形成し、他方の回転角度検出用磁気ヨークには径方向内方に突き出て上記磁石のＳ極に臨むＳ極突起を形成し、上記２つの回転角度検出用磁気ヨーク間に挟んで回転角度検出用検出素子を配置し、上記トルク検出用検出素子が検出する磁束密度の変化として表れる上記２つのトルク検出用磁気ヨークと上記磁石との回転角度の相対的変化と上記弾性部材の弾性とから上記入力軸と上記出力軸間のトルク差を求めると共に上記回転角度検出用検出素子が検出する磁束密度の周期的変化の繰り返し回数を計数して上記ステアリングシャフトの回転角度を操舵角として求める演算回路を設けたことを特徴とするステアリング装置。
8. 車両のステアリングシャフトの入力軸と出力軸とのトルク差に応じて上記出力軸に補助動力を加えるようにしたパワーステアリング装置において、請求項４記載のトルクセンサにより上記トルク差を求め、このトルク差により補助動力を制御する制御回路を設けたことを特徴とするパワーステアリング装置。
   

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