JP2009522569A - ハンドル軸の捩じれを特に測定するための、ストロークが短い磁気位置センサー - Google Patents

Abstract

本発明は、ハンドル軸の捩じれを特に検出するため、軸方向を向いた複数の磁石を有する回転子構造（１０）である第１の磁気構造と、径方向を向いた歯（２５、２６）が延びている同心の２つの環状部材（２３、２４）を有する固定子構造（２０）である第２の構造とで構成された位置センサーにおいて、回転子構造（１０）が、ほぼ円板の形状であり、前記複数の磁石を支持する強磁性ヨークによって構成されていることと、固定子構造（２２、２４）が、重なり合う歯を有することと、この位置センサーが回収構造（３０）である第３の構造を備えていて、この回収構造は、２つの磁束閉じ込め部材（３１、３２）からなり、そのうちの少なくとも一方は固定されており、その２つの磁束閉じ込め部材が少なくとも１つのエアギャップ（４０）を規定し、その中に少なくとも１つの磁気感受性素子（５０）が配置されることを特徴とする位置センサーに関する。

Description

本発明は、位置センサーの分野に関するものであり、より詳細には、ハンドル軸の捩じれを測定するための位置センサーに関するものだが、用途はそれに限られるわけではない。

従来技術として特許文献１が知られている。この出願には、ヨークに固定された複数の磁石を有する回転子構造である第１の構造と；互いに重なる軸方向の複数の歯を有する２つの環状部材を有する回転子構造である第２の磁性構造と；Ｌ字形に曲がったアームが延びる２つの扇形区画からなり、その扇形区画が閉じて測定用エアギャップを形成し、その中には磁気感受性素子が配置されている固定された第３の構造とからなる位置センサーが記載されている。最初の２つの構造が相対的に回転すると、第３の構造である回収構造の位置に作り出されたエアギャップの中で磁束の変化が生じる。このセンサーは、センサーの安定性を向上させるために固定子の歯の幾何学的形状を正確にした固定子構造と、固定子と回収部の間で磁束が軸方向に循環するときに導磁度を一定にすることのできる回収構造と、さまざまな構成要素のサイズと重さが最適化されていることを特徴とする。

しかしこのような構造には、特に目的とする主な用途（すなわち自動車のハンドル軸に接続されたトーション・バーの変形の検出）に関して組立法と結び付いた第１の欠点がある。実際、このような用途では、回転子構造と固定子構造は、それぞれ、同心であるアームの軸方向に向かい合った２つの断面を通じてトーション・バーの一端に接続されている。その場合、回転子構造と固定子構造の重なりが問題になる。なぜならこの重なりがあるため、組み立て条件とシステムの寿命までの動作条件とから生じる制約と結び付いた許容誤差を考慮できるようにするには径方向のエアギャップを大きくせねばならないからである。そのためセンサーの感度が損なわれる。

さらに、センサーがこのような構造であるというのは、径方向の異方性が優れていることが好ましくて温度係数が小さい一様なリング状磁石（一般にサマリウム・コバルト）を用いることを意味する。ところで磁束の変化を改善するため、したがってセンサーの感度を向上させるために残留磁気が大きい磁石（典型例は、残留磁気が１Ｔ以上の焼結磁石）を用いたい場合には、その材料をリングの形に成形するときに大きなコストがかかるという問題に直面する。これは、用途を考えると見合わない。そのため一般には残留磁気が０．５〜０．６Ｔのオーダーでプラスチック製結合剤を有するサマリウム・コバルト型の複数のリング状磁石が用いられる。

従来技術として特許文献２が知られている。この特許には、特に、軸方向を向いた円板状磁石を用いる構成が記載されている。すると軸方向のエアギャップによって回転子構造を固定子構造と分離することができ、しかもこれら２つの構造が重複することなく、残留磁気が大きな焼結磁石を利用することが可能になる。磁石を円板の形に成形することは、リングの形にするよりははるかに安価である。しかしこのセンサーに付随する回収構造は満足のゆくものではない。実際、回収構造は固定子から径方向に延びる２つの部材を有するため、径方向のサイズが非常に大きくなる。さらに、このセンサーの感度とサイズを最適化するために歯を幾何学的に最適化することに関してはまったく記載されていない。

角度センサーを記載した特許文献３も知られている。この角度センサーは円板状の２つの固定子を備えていて、そのそれぞれは径方向に延びる歯を持ち、一方の固定子の歯と他方の固定子の歯は、それぞれ円板形の永久磁石の両側に存在している。磁束を閉じ込めるヨークがないとホール効果プローブで検出される信号は弱いため、電磁擾乱の影響を受けやすい。このようなセンサーは、固定子から径方向に延びる磁束回収部材のために径方向のサイズが大きく、磁石の両側に配置された歯の構成のために厚さ方向もサイズが大きい。

特許文献４は、固定子の内側に位置するリング状磁石によって形成された角度センサーに関する。それぞれの固定子は、重なり合う歯を有する。このセンサーにおける問題は、固定子の径方向延長部によってなされる磁束の回収である。固定子には角度方向の延長部があるため、磁気が漏れて測定の性能が低下する。

特許文献５には、円板状磁石の両側に配置された固定子を備えるセンサー構造が記載されている。その結果、高さが高くなりすぎる。さらに、磁束の回収は、径方向延長部によってなされるため、径方向のサイズが大きくなりすぎる。

特許文献６に開示されているセンサーがさらに知られており、特許文献７にはそのようなセンサーの別の解決法が記載されている。
仏国特許出願第０４／０７７１８号 米国特許第４，９８４，４７４号 独国特許第２０３０５７３２号 英国特許第２３７９２７７号 米国特許出願公開２００３／２３３８８９ 独国特許第１０２２２１１８号 仏国特許第１２８４５４７２号

したがって従来技術には多数の解決法が含まれているが、そのどれも、コンパクトさの問題と、ホール効果プローブによって検出される信号の品質の問題を解決していない。

そこで本発明は、組み立てが容易で、全体のサイズがより小さく、感度が最適で、部品のサイズと重量が最小になる１つの解決法を提案する。

そのため新しいセンサーは、異なる３つの磁気構造に分割される。すなわち、ヨークに固定されていて軸方向に磁化された複数の磁石を備える回転子構造である第１の磁気構造と；径方向に延びていて互いに重なる複数の歯を有する同心の２つの環状部材を備える固定子構造である第２の磁気構造と；Ｌ字形に曲がった環状アームが延びる同心の２つの扇形部分からなり、その扇形部分が閉じて測定用エアギャップを形成しており、そのエアギャップの中に磁気感受性素子が配置されている固定された回収構造である第３の磁気構造である。

最初の２つの構造の相対回転により、回収用の第３の構造の位置に設けられたエアギャップの中で磁束が変化する。

固定子構造は、固定子の歯が幾何学的に厳密なサイズにされていることを特徴とする。

サイズに関するこの規則によって磁性部材が薄くなるため、信号レベルと、線形性と、幾何学的な欠陥およびサイズの欠陥に対する感度に関して最高の性能に到達することができる。

本発明の最も一般的に受け入れられる態様は、ハンドル軸の捩じれを特に検出するため、軸方向を向いた複数の磁石を備えていて全体形状がほぼ円板形の回転子構造である第１の磁気構造と；重なり合う径方向を向いた歯が延びている同心の２つの環状部材を有する固定子構造である第２の構造と；２つの磁束閉じ込め部材からなり、そのうちの少なくとも一方は固定されていて、その２つの磁束閉じ込め部材が少なくとも１つのエアギャップを規定し、その中に少なくとも１つの磁気感受性素子が配置されている回収構造である第３の構造とを備える位置センサーにおいて、前記複数の磁石と、歯を有する前記複数の環状部材が、両者の間に、その両者と向かい合っていて径方向の相対位置と角度方向の相対位置とは独立な１つの面を規定することを特徴とする位置センサーに関する。

磁束閉じ込め部材と固定子の環状部材は、両者の間に一定サイズのスペースを規定し、固定子構造と回収構造の軸方向と角度方向の相対位置とは独立に導磁度が決まるようにすることが望ましい。

回収構造は、固定子の環状部材との間で径方向に磁束をやり取りすることができてる２つの扇形区画を備えるとともに、固定子の環状部材と向かい合った面と、測定用エアギャップを規定する面との間に大きなずれを可能にする少なくとも２本の閉じ込め用アームを備えていて、そのエアギャップが、数学的関係式：
固定子間の距離／エアギャップの高さ≧４
で定義される（ただし、エアギャップは、回収部の面の間の最小距離であり、固定子間の距離は、固定子の環状部材の内面間の距離である）ことが好ましい。

固定子の歯は、以下の幾何学的基準：
Ｌｔ×Ｄｔ／Ｌｉ×ｅ≧５
を満たす（ただし、
・Ｌｔは、固定子の歯の長さを先端部から環状部材の内面まで測った距離；
・Ｄｔは、歯の先端部で形成される円弧と基部で形成される円弧の長さの平均値として計算される、歯の平均幅；
・Ｌｉは、固定子の歯の重なり、すなわち固定子が径方向に互いに侵入する程度；
・ｅは、固定子の歯を構成する金属板の厚さである）ことが望ましい。

一変形例によると、磁束回収構造は、固定子の環状部材の径方向外側に位置する半環状の２つの扇形区画で実現されていて、その扇形区画が、少なくとも１つの磁気感受性素子が収容された少なくとも測定用エアギャップまで磁束を導くことができる。

固定子の歯の幅は先端部から基部に向かって増大していくことが望ましい。

特別な一実施態様によると、回収構造は扇形区画で構成されていて、その扇形区画の内側の辺をセンサーの軸線から見たときの角度幅は、磁石の磁極のピッチの倍数に等しい。

別の特別な一実施態様によると、磁束閉じ込め部材は、３６０°に広がる扇形区画を備えている。

測定用エアギャップ）には、異なる２つの磁気感受性素子を有する単一の集積回路を収容できることが望ましい。

一変形例によると、磁石の径方向の幅は、固定子の歯の長さにほぼ等しい。

第１の実施態様によると、磁束回収構造は、内側環状部材の外面と磁気的にカップルする半管形の少なくとも１つの第１の内側扇形区画と、外側環状部材の内面と磁気的にカップルする半管状の少なくとも１つの第２の内側扇形区画とを備えていて、これら扇形区画のうちの少なくとも一方は、力学的な摩擦なしに隣の環状部材の面と接する形状であり、少なくとも１つの磁気感受性素子は、第１の内側扇形区画の延長部および第２の内側扇形区画の延長部と磁気的にカップルする。

別の実施態様によると、磁束回収構造は、内側環状部材の内面と磁気的にカップルする半管状の少なくとも１つの第１の内側扇形区画と、外側環状部材の外面と磁気的にカップルする半管状の少なくとも１つの第２の内側扇形区画とを備えていて、これら扇形区画のうちの少なくとも一方は、力学的な摩擦なしに隣の環状部材の面と接する形状であり、少なくとも１つの磁気感受性素子は、前記第１の内側扇形区画の延長部および前記第２の内側扇形区画の延長部と磁気的にカップルする。

別の実施態様によると、環状部材のそれぞれから脚部が径方向の平面に対して垂直に延びていて、その脚部の一端はそれぞれ対応する環状部材の延長であり、他端は、磁気感受性素子の１つの面と向かい合っていて磁気カップリングを保証している。

脚部がＬ字形に曲がっていて磁気感受性素子の互いに反対側にある面の端部に近づいていることが好ましい。

特別な一実施態様によると、磁束回収構造は、半管状の少なくとも１つの第１の扇形区画を備えていて、その扇形区画の中に形成された半管状チャネルの中を移動できる前記環状部材の内面および外面と磁気的にカップルしている。

さらに別の実施態様によると、センサーは、少なくとも１つの磁束回収構造とカップルした少なくとも２つの磁気感受性素子を備えている。

本発明の対象となるさまざまな幾何学的基準を以下の段落に示す。

その１つとして、固定子の歯の（半径に沿った）長さは、このタイプの磁性構造において磁束を調節するのに非常に重要な１つのパラメータであることを示した。

実際、歯の径方向の重複は制限されていなくてはならず、さもないと磁束が歯の先端部から漏れ、大きな誘導が誘導される。そのため歯は厚いままにしておかなくてはならない。すると今度は歯の側部から磁束が漏れる。

センサーの優れた線形性を保証する上で固定子の歯の（周方向に沿った）幅も重要であることがわかるであろう。この幅は１つの角度によって決めることができるが、その角度はセンサーで想定するストロークよりも大きい必要がある。

さらに、歯を台形にし、歯のＬ字形部に近づくにつれて磁束が通過できる断面積を大きくするとよい。なぜなら磁束が最大になるのはこの位置においてだからである。

歯の有効面積、すなわち磁石と向かい合っている面積が回収される磁束の量を決定し、したがってセンサーの感度を決めることを補足しておく。

したがってこの面積は、他のパラメータとの整合性を維持しつつ、できるだけ広くなるように選択せねばならない。

結局、固定子構造の最適化は、固定子の歯の側面の面積を最小にして漏れを制限するとともに、歯で磁石と向かい合う面積を最大にすることによって実現できる。

固定子のサイズを決める規則は上記の面積の比として表わすことができ、以下のように定義される。
歯の長さ×歯の平均幅／歯が重複している部分の長さ×歯の厚さ＞５
ただし、歯の平均幅は、歯の先端部で形成される円弧と基部で形成される円弧の長さの平均値である。

特許文献２の図６に関しては、この比は１と２の間である。

知られている他の特許に関しては、センサーの構成が根本的に異なっており、この基準を評価することができない。

固定子がこの幾何学的サイズになっていることに加え、磁石の径方向の幅（すなわちその磁石の外径と内径の差）は、歯の付いた環状部材が磁石に対して偏心している場合でさえ、磁石と歯が向かい合っている面積が一定に維持されるように選択することが望ましい。

例えば“Ｌａ”が磁石の径方向の幅であり、“Ｌｔ”が半径に沿った歯の長さであるとした場合、径方向の偏心が（Ｌｔ−Ｌａ）以下だと、磁石と歯が向かい合っている面積を一定に維持することができよう。

この径方向の幅は、歯の幅そのものに対して最適化することもできる。実際、磁石の体積に対するセンサーの感度は、磁石の径方向の幅が、上記の規則によって決まる歯の長さにほぼ対応するときに最大になることがわかる。

これらの規則を適用すると、歯の間から漏れる磁束は制限され、歯の中での誘導レベルはそれに応じて低下する。したがって歯を薄くすることが可能であり、そうすることによってセンサーの感度がより大きくなる。

固定子の幾何学的形状に関する上記の基準を除くと、センサーの回収構造の構成を選択することにより、センサーの感度を向上させることと、コストを削減することができる。

例えば本発明のセンサーでは、薄い円筒の扇形区画の形状である回収部が機能する。するとその回収部によって磁束を径方向に回収することが可能になり、固定子と磁束をやり取りする面と、測定用エアギャップを規定するアームの他端との間に明確なＬ字形部が現われる。

この構成により、薄い回収部を実現することができる。これは、エアギャップの中でアームの縁部に現われる磁束の漏れを制限するのに有効であるため、センサーの感度を大きくすることができる。

そこで第２の幾何学的基準を規定することができる。それは、固定子間の軸方向の距離に対する測定用エアギャップの比である。

この明細書に記載した新しい回収構造（３０）は、固定子の２つの環状部材を隔てる距離よりも小さい測定用エアギャップを備えており、以下の式で特徴づけられる。
固定子間の距離／エアギャップの高さ≧４

従来技術のさまざまな説明によると、回収部材は、固定子に対して形状または位置をさまざまにすることができる。既存の特許によれば、回収部材は、固定子の内側に位置すると記載されていたり、単にその近くに位置すると記載されていたりする。

われわれは、この明細書において、回収部に与える一般的な形状を越えて、固定子に対する回収用扇形区画の位置に関する１つの新しい解決法を提案する。この方法により、センサーの感度を断然大きくすることができる。

それは、２つの回収部を固定子の外側に配置し、固定子の周辺部で固定子と向かい合った状態を維持しつつ互いにできるだけ離すというものである。

実際、２つの回収部の間を循環して測定用エアギャップを通過しない漏れ磁束を考慮すると、このタイプの回収によってセンサーの感度が改善されるため、このタイプの回収は、本発明で要求する最適化されたセンサーの定義に当てはまる。

さらに、トルク・センサーの信頼性が理由で２つの磁気感受性素子を設け、そのプローブの一方に問題が起こった場合に測定のバックアップが可能となるようにするとよかろう。

この目的で、磁束回収部は、異なる２つのアームを持つことができる。これらのアームによって平行な２つの測定用エアギャップを作り出すことができ、そのエアギャップには別々の磁気感受性素子が配置される。

今日では１つの集積回路に２つの磁気感受性素子を搭載した進化した電子部品が存在しているため、測定のバックアップができるよう、測定用エアギャップの面積を制限しつつ、それぞれがアームを１本だけ備える複数の回収部を利用するとよい。

実際、２つの回収部の向かい合う面の面積を小さくすると信号レベルが上昇し、したがってセンサーの感度が大きくなる。

回収構造に戻ると、好ましい一実施態様によれば、回収用扇形区画は固定されているのに対して固定子は回転できるため、回収部に対する固定子の軸方向の位置決めが不十分であってもよいことに注意することが重要である。別の変形例では、扇形区画の少なくとも１つが固定されていて、他方は環状部材の一方と一体化することができる。この場合、環状部材と一体化した扇形区画のカップリングは、磁気感受性素子に対して自由に移動できる扇形区画を通じてなされる。

センサーがこの不十分な位置決めの影響を受けないことを保証するため、回収部の扇形区画は、固定子構造と回収構造の間に場合によっては軸方向のずれがあるにもかかわらず径方向の磁束の回収が一定になるようにせねばならない。

これは、導磁度（すなわち磁束が固定子と回収部の間のこのエアギャップを容易に横断できる程度を表わす物理量）が、これら２つの構造の軸方向の相対的な位置とは無関係になるという条件で可能である。

２つの強磁性部材の間のエアギャップに関する導磁度は以下の関係式で規定されることを思い起こそう。
Λ ＝ μ×Ｓ／ｌ
ただし、
− μは、エアギャップを構成する材料に特徴的な定数であり、透磁率と呼ばれる。
− Ｓは、２つの強磁性部材が向かい合っている部分の面積である。
− ｌは、エアギャップを構成する向かい合った２つの面の距離である。

距離ｌは２つの固定子構造の軸方向のずれの影響を受けないため、一定の導磁度を維持するには向かい合う面積を一定にすれば十分である。

この明細書では、センサーが固定子構造（２０）と回収構造（３０）の間の軸方向のずれの影響を受けないようにするため、固定子の環状部材（２３、２４）と回収部の扇形区画（３３、３４）を特別な形態にし、一方が他方を覆うようにしている。

以下の段落でより詳しく説明することになるが、扇形区画は、円板の径方向の幅が固定子の環状部材の幅よりも小さくなるサイズにすることができよう。逆に、固定子がよく制限された回収用環状部を有する場合には、扇形区画が固定子のその環状部を覆うようにできよう。

最適な角度センサーのさまざまな特徴は、図面の説明を通じて明らかになろう。

図１〜図３は、センサーの回転子部分（１０）と固定子部分（２０）を回収部分なしで示した図である。回転子部分（１０）は、軸方向すなわち厚さ方向に磁化された多極磁石（１１）と、磁束が容易に戻るよう強磁性材料で実現されたヨーク（１２）とで構成されているため、センサーの感度と線形性が向上する。図１〜図３の場合には、磁石に６対の極があり、捩じれ角を±７°で測定するのに完全に適している。

固定子部分（２０）は２つの固定子（２１）と（２２）で構成されている。それぞれの固定子は、環状区画（２３）および（２４）と、径方向にできるだけ重ならないようにされた歯（２５）および（２６）とで構成されている。

第１の固定子（２２）は管状部で形成されていて、この管状部はハンドル軸に連結される。この管状部から歯（２６）が延びている。それぞれの歯は、管状部から延びる半管状の第１の区画を有する。この第１の区画そのものから、横断面内で径方向外側に向かう部分が延びている。あるいは第１の区画は平坦であってもよい。これら２つの区画は、少なくとも折り曲げ領域までは幅が同じである。

第２の固定子（２１）は、第１の固定子（２２）の管状部と同軸の外側管状部で形成されている。したがって外側管状部は第１の固定子（２２）の管状部よりも直径が大きい。２つの直径の差は、歯の横幅の２倍を越える。

この管状部から歯（２５）が延びている。それぞれの歯は、第１の固定子の歯（２６）の第１の区画の歯と同じ方向に延びる半管状の第１の区画を有する。この第１の区画そのものから、横断面内で径方向内側に向かう部分が延びている。あるいは第１の区画は平坦であってもよい。２つの区画は、少なくとも折り曲げ領域までは幅が同じである。

歯（２５）と歯（２６）の径方向の区画は同じ横断面内で重なる。円板状磁石（１１）が、歯（２５）と歯（２６）の径方向の区画が存在するその横断面に平行な平面内に配置されている。

固定子部分の歯の数は、磁石の極の数に対応している。固定子部分の歯は軸方向に磁石と向かい合っていて、これら２つの部分間の軸方向の距離は“ａ”である。この軸方向の距離は、センサーとハンドル軸からなる組立体に対して固定されており、センサーの寿命を通じて一定である。

歯（２５）と歯（２６）の径方向の重複は制限されており、以下の段落に示す幾何学的最適化の一部をなしている。さらに、歯の径方向の高さは、磁石の径方向の高さと等しいことが好ましい。

図４は、本発明によるセンサーの第１の実施態様の斜視図である。固定子部分（２０）は、次の段落に示す幾何学的規則に対応する。回収構造（３０）は固定子の内側に扇形区画（３３、３４）を持ち、径方向に固定子の環状部材（２３、２４）と向かい合っている。

回転子構造（１０）は、ヨーク（１２）に取り付けられていて６対の極を有する磁石（１１）を備えており、６つの歯（２５、２６）をそれぞれが有する２つの固定子（２１、２２）に作用を及ぼす。

固定子（２１、２２）の重複部の高さは歯（２５、２６）の長さと比べて短く、幅は厚さと比べて大きい。したがって固定子のサイズに関する幾何学的基準は守られている。歯（２５、２６）は、歯の基部の断面積が大きくなるような台形である。この台形は、われわれの最適化された設計の場合に特に興味深い。

実際、歯の厚さは意図的に非常に薄くしてある。このように幅を大きくすることで、磁束を通過させるのに十分な断面積を確保しつつ、歯の基部において磁束が飽和することを回避できる。

さらに、歯が短いという事実により、歯の基部の幅を広くしても向かい合った歯の側部（２８、２９）の間に寄生漏れ磁束が発生しない。

さらに、多極磁石（１１）は、径方向の幅が歯（２５、２６）の幅に近いという条件を守ったサイズにされている。そのためセンサーの感度と磁石の体積の間のバランスが最適になる。

この図には、磁束の回収に関し、固定子の環状部材（２３、２４）に内接していて曲げられた２本のアーム（３５、３６）が延びる２つの扇形区画（３３、３４）に基づく第１の解決法も示してある。アーム（３５、３６）により、磁束を測定用の２つのエアギャップ（４１、４２）の内部に戻すことができる。エアギャップ（４１、４２）には、測定のバックアップが可能になるよう、プリント回路にハンダ付けされた２つのホール効果プローブ（５１、５２）が配置されている。

われわれは、この特別な実施態様を通じ、ハンドル軸に取り付けた捩じれ軸の測定を約８°のストロークで実現するためのセンサーの形状とサイズについて正確に記述していくことにする。

センサーは、常に３つの構造、すなわち回収構造（３０）、固定子構造（２０）、回転子構造（１０）からなる。回転子構造（１０）は、６対の極を有する高さ６ｍｍの磁石（１１）からなり、軸方向に磁化された厚さ２ｍｍ、内径３４ｍｍ、外径４６ｍｍのリングを形成している。このリングは、磁石と同じ直径の円筒形のヨーク（１２）に取り付けられている。

固定子構造（２０）は、互いに向かい合っていて、磁極のピッチ（すなわち３０°）に対応する角度だけずれて取り付けられた２つの固定子（２１、２２）を備えている。

これら固定子のそれぞれは環状部材（２３、２４）で構成されていて、両者に挟まれた部分には、高さ６ｍｍの円筒状の６つの歯（２５、２６）が径方向に延びている。そのためこれらの歯は磁石の面と協働して第１の回転子構造（１０）を構成する。

使用する鋼板の厚さは０．６ｍｍであることがわかっているため、歯は、基部で磁束の通過断面積が増えるよう、センサーの軸線から見て角度幅が大きくなっていくようにされている。

固定子の軸線から見た歯の内側の円弧の角度幅は、ストロークが１６°であるのに対して２３°であることにも注意されたい。したがって歯のこの幾何学的形状は、幅が大きいが短くて薄い点が従来のものと異なっている。

２つの固定子（２１、２２）は３ｍｍが重なっているため、固定子の２つの環状部材（２３、３４）を隔てる距離は９ｍｍになる。

さらに、扇形区画（３３、３４）は回収部の環状部材（２３、２４）の環状部分を覆うようなサイズにして、この被覆により、固定子部分（２０）の軸方向のずれの影響を受けないことが保証されるようにする。

その目的で、扇形区画（３３、３４）は、回収構造と、固定子構造の環状部材（２３、２４）でそれに対応する管状部分とのスペースが、これら回収構造と固定子構造の相対的な角度位置と軸方向位置に関係なく変化しないという条件によって決まる角度方向の長さと軸方向の高さを有する。このことにより、導磁度が位置決めの誤差と独立になることが保証される。

もちろん、このように影響を受けないのは、２つの構造の軸方向のずれがある限度よりも小さいときである。

この限度は、固定子の環状部材（２３、２４）の軸方向の高さと、扇形区画（３３、３４）の軸方向の高さの差によって決まる。

したがってサイズをこのようにすると、軸方向のずれが±０．５ｍｍ未満である限り、回収構造（３０）に対する固定子構造（２０）の軸方向のずれの影響はない。

幅３ｍｍの２本のアーム（３５、３６）が扇形区画（３３、３４）から延びていて、固定子（２１、２２）の内側に軸方向に沿って位置する高さ１．４５ｍｍの測定用エアギャップ（４０）の中に磁束を閉じ込めることができる。エアギャップの中には、プリント回路によって保持された磁気感受性素子（５０）が配置されている。

図５は、センサーの第３の磁気構造を示す図である。これは固定された回収構造（３０）であり、磁束を固定子の環状部材（２３、２４）上に回収し、測定用エアギャップ（４０）の中に集束させることができる。

この構造は２つの部材（３１、３２）で構成されており、それぞれ、同心リング（３３、３４）の一部で形成されている。この構造は、固定子とこれら部材の間で磁束をセンサーの径方向にやり取りできるように設計されている。

これら回収部材（３１、３２）は扇形区画（３３、３４）を持ち、その軸方向の高さは固定子の環状部材（２３、２４）よりも低いため、固定子構造（２０）と回収構造（３０）の間に軸方向のずれがあってもよい。

回収部材（３１、３２）は、扇形区画（３３、３４）と、測定用エアギャップ（４０）を構成する面（３７、３８）との間に大きなずれを有する。

この特徴により、離れた状態の回収部材（３１、３２）の間に磁束の漏れを限定するとともに、エアギャップ（４０）の幅（ｘ）が小さい状態を維持して磁束をできるだけ集束させ、センサーの感度を向上させることができる。

要するに、回収用磁気構造が従来技術と異なっているのは、回収用扇形区画（３３、３４）が磁束を径方向に移せるように設計されていることと、導磁度が固定子構造（２０）と回収構造（３０）の軸方向の相対位置と独立になるようにするため、扇形区画（３３、３４）が固定子の環状部材（２３、２４）の内側に完全に内接していることと、扇形区画（３３、３４）と、測定用エアギャップ（４０）を構成する面（３７、３８）との間に大きなずれを発生させる顕著なＬ字形部分を有することである。

図６と図７は図４と図５の一変形例であり、磁束回収部材（３１、３２）の扇形区画（３３、３４）が固定子（２１、２２）の外側に位置する一実施態様を示している。

このように外側に配置することで、２つの扇形区画（３３）と（３４）の間に現われる漏れを制限して測定用エアギャップ（４０）の中に磁束をより多く集束させ、センサーの感度を向上させることができる。

この解決法により、回収される磁束の量が増大し、そのことによってセンサーの感度が増大するとともに、固定子の環状部材（２３、２４）の軸方向のずれという欠点に対するセンサーの許容度が大きくなるという利益がもたらされる。したがって固定子を、幾何学的誤差をあまり厳しくせずにより安価に製造することができる。

図８は上から見た図であり、磁石（１１）と、径方向に重なり合う歯を有する２つの固定子（２１、２２）とを見ることができる。

この図では、歯は軸方向に第２の固定子まで延びておらず、歯の幅（Ｄｔ）は歯の長さ（Ｌｔ）に近い。

こうした幾何学的特徴があるため、歯と回収部を薄くすることが可能になり、高性能のセンサーが安価に得られる。

図８に関係する図９は固定子の歯（２５）の斜視図であり、歯の厚さ（ｅ）と歯の側面（２８）を見ることができる。その厚さ（ｅ）と側面（２８）を以下の段落で取り扱う。

２枚の図８および図９に示した構成では、磁石（１１）と向かい合っている歯の有効な面（２７）と、歯の漏れ側面（２８）との比（前の段落で説明した関係）は大きいように見える。すなわち比が５を越える。

磁石（１１）の径方向の高さＬｍは、歯の径方向の高さＬｔとほぼ等しいため、図示した固定子間の距離（ｄ）よりも断然小さいことに注意されたい。

図８には、固定子のサイズで考慮すべきさまざまな幾何学的パラメータが現われる。

それは以下のものである。
・Ｌｔ：固定子の歯の長さを径方向に沿って先端部から環状部材の内面まで測った距離。
・Ｌｉ：固定子が径方向に互いに侵入する程度、または歯が重なる高さ。
・Ｌｍ：磁石の径方向の幅。
・Ｄｔ：歯の角度方向の平均幅であり、歯の先端部によって形成される円弧と基部によって形成される円弧の長さの平均値として計算される。
・ｅ：歯の厚さを固定子の軸方向に沿って測定した距離。

これらのパラメータにより、歯の有効面積と漏れ面積の間の比を定義することができる。この比により、提案するセンサーの特徴的な関係を定義することができる。

図１０、図１１、図１２は、磁束回収部材（３１、３２）の扇形区画（３３、３４）が固定子（２１、２２）の外側に配置されている一実施態様を示している。

このように外側に配置することで、２つの扇形区画（３３）と（３４）の間に現われる漏れを制限して測定用エアギャップ（４０）の中に磁束をより多く集束させ、センサーの感度を向上させることができる。

この解決法により、回収される磁束の量が増大し、そのことによってセンサーの感度が増大するとともに、固定子の環状部材（２３、２４）の軸方向と径方向のずれという欠点に対するセンサーの許容度が大きくなるという利益がもたらされる。したがって固定子を、幾何学的誤差をあまり厳しくせずにより安価に製造することができる。

図１３と図１４は、上に提案した解決法の第２の実施態様を示している。この解決法では、測定用エアギャップの中に磁束をより多く集束させるために４つの環状部（３３ａ）、（３３ｂ）、（３４ａ）、（３４ｂ）を有する回収構造が見られる。ペアになる回収部（３１）と（３２）は、それぞれ、固定子（２１）と（２２）の内側と外側に配置された２つの環状部を有する。前の図と同様、磁束回収部材（３１、３２）は扇形区画（３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ）の形態であり、軸方向の高さは、センサーの軸方向のずれと無関係になるよう、固定子の扇形区画（２３）と（２４）よりも低くするか高くされている。

図１５と図１６は、図１１および図１２に示した解決法の一変形例を示している。この解決法は、測定用エアギャップが２つ存在しているのではなく、扇形区画（３６）と（３７）の間にエアギャップ（４０）が１つだけ存在している点が前の解決法と異なっている。２つ以上のホール効果プローブをこの測定用エアギャップの中に挿入することができる。測定用エアギャップを規定する扇形区画（３６）と（３７）の角度は、それぞれ扇形区画（３３ｂ）と（３４ｂ）の角度と同じかより小さい。したがってこの解決法により、測定用エアギャップの中にホール効果プローブをより簡単に配置することができる。

センサーの回転子部分と固定子部分を回収部分なしで示した図である。 センサーの回転子部分と固定子部分を回収部分なしで示した図である。 センサーの回転子部分と固定子部分を回収部分なしで示した図である。 センサーの内部にある回転子部分、固定子部分、回収部分と、ホール効果プローブを示している。 回収構造の特別な一実施態様の斜視図であり、磁束が固定子の内側に回収される。 図４と図５に示した解決法の変形例であり、回収構造が外側にある。 図４と図５に示した解決法の変形例であり、回収構造が外側にある。 固定子部分に要求される幾何学的基準を示す斜視図である。 固定子部分に要求される幾何学的基準を示す斜視図である。 回収構造の特別な一実施態様の斜視図である。 回収構造の特別な一実施態様を真横から見た図であり、固定子の外側に磁束が回収される。 回収構造の特別な一実施態様を真上から見た図であり、固定子の外側に磁束が回収される。 回収構造の一変形例の斜視図であり、磁束が固定子の内側と外側に回収される。 回収構造の一変形例の斜視図であり、磁束が固定子の内側と外側に回収される。 図１３と図１４に示した解決法の一変形例である。 図１３と図１４に示した解決法の一変形例である。

Claims (16)

1. ハンドル軸の捩じれを特に検出するための位置センサーであって、
   軸方向を向いた複数の磁石を有する磁力的な回転子構造（１０）である第１の構造と、径方向を向いた歯（２５、２６）が延びている同心の２つの環状部材（２３、２４）を有する固定子構造（２０）である第２の構造とで構成されているものにおいて、
   前記回転子構造（１０）が、ほぼ円板の形状であり、前記複数の磁石を支持する強磁性ヨークによって構成されており、
   前記固定子構造（２２、２４）が、重なり合う歯を有しており、
   前記位置センサーが回収構造（３０）である第３の構造を備えており、
   この回収構造は、２つの磁束閉じ込め部材（３１、３２）からなり、そのうちの少なくとも一方は固定されており、その２つの磁束閉じ込め部材が少なくとも１つのエアギャップ（４０）を規定し、その中に少なくとも１つの磁気感受性素子（５０）が配置される、
   ことを特徴とする位置センサー。
2. 前記磁束閉じ込め部材（３１、３２）と前記固定子の環状部材（２３、２４）が、両者の間に一定サイズのスペースを規定し、
   前記固定子構造（２０）と前記回収構造（３０）の軸方向と角度方向の相対位置とは独立に導磁度が決まるようにする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位置センサー。
3. 前記回収構造（３０）が、前記固定子の環状部材（２３、２４）との間で径方向に磁束をやり取りすることができてる２つの扇形区画（３３、３４）を備えるとともに、前記固定子の環状部材（２３、２４）と向かい合った面（３３、３４）と、前記測定用エアギャップ（４０）を規定する面との間に大きなずれを可能にする少なくとも２本の閉じ込め用アーム（３５、３６）を備えていて、
   そのエアギャップが、数学的関係式：
   固定子間の距離／エアギャップの高さ≧４
   で定義される（ただし、エアギャップは、回収部（３１、３２）の面（３７、３８）の間の最小距離であり、固定子間の距離は、前記固定子（２１、２２）の環状部材（２３、２４）の内面間の距離である）、
   ことを特徴とする請求項１に記載の位置センサー。
4. 前記固定子の歯（２５、２６）が、以下の幾何学的基準：
   Ｌｔ×Ｄｔ／Ｌｉ×ｅ≧５
   を満たす
   （ただし、
   ・Ｌｔは、固定子の歯の長さを先端部から環状部材の内面まで測った距離；
   ・Ｄｔは、歯の先端部で形成される円弧と基部で形成される円弧の長さの平均値として計算される、歯の平均幅；
   ・Ｌｉは、固定子の歯の重なり、すなわち固定子が径方向に互いに侵入する程度；
   ・ｅは、固定子の歯を構成する金属板の厚さである）、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の位置センサー。
5. 前記磁束回収構造（３０）が、前記固定子の環状部材（２３、２４）の径方向外側に位置する半環状の２つの扇形区画（３３、３４）で実現されていて、
   その扇形区画が、少なくとも１つの磁気感受性素子（５１、５２）が収容された少なくとも測定用エアギャップ（４１、４２）まで磁束を導くことができる、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の位置センサー。
6. 前記固定子の歯（２５、２６）の幅が先端部から基部に向かって増大していく、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の位置センサー。
7. 前記回収構造（３０）が扇形区画（３３、３４）で構成されていて、その扇形区画の内側の辺をセンサーの軸線から見たときの角度幅が、磁石（１１）の磁極のピッチの倍数に等しい、ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の位置センサー。
8. 前記磁束閉じ込め部材（３１、３２）が、３６０°に広がる扇形区画（３３、３４）を備える、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の位置センサー。
9. 前記測定用エアギャップ（４０）に、異なる２つの磁気感受性素子を有する単一の集積回路を収容できる、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の位置センサー。
10. 前記磁石（１１）の径方向の幅が、前記固定子の歯（２５、２６）の長さにほぼ等しい、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の位置センサー。
11. 前記磁束回収構造（３０）が、
    前記内側環状部材（２４）の外面と磁気的にカップルする半管形の少なくとも１つの第１の内側扇形区画（３４）と、
    前記外側環状部材（２３）の内面と磁気的にカップルする半管状の少なくとも１つの第２の内側扇形区画（３３）と、を備えていて、
    これら扇形区画（３３、３４）のうちの少なくとも一方が、力学的な摩擦なしに隣の環状部材（２３、２４）の面と接する形状であり、
    少なくとも１つの磁気感受性素子が、前記第１の内側扇形区画（３４）の延長部および前記第２の内側扇形区画（３３）の延長部と磁気的にカップルする、
    ことを特徴とする請求項１に記載の位置センサー。
12. 前記磁束回収構造（３０）が、
    前記内側環状部材（２４）の内面と磁気的にカップルする半管状の少なくとも１つの第１の内側扇形区画（３４）と、
    前記外側環状部材（２３）の外面と磁気的にカップルする半管状の少なくとも１つの第２の内側扇形区画（３３）と、を備えていて、
    これら扇形区画（３３、３４）のうちの少なくとも一方が、力学的な摩擦なしに隣の環状部材（２３、２４）の面と接する形状であり、
    少なくとも１つの磁気感受性素子が、前記第１の内側扇形区画（３４）の延長部および前記第２の内側扇形区画（３３）の延長部と磁気的にカップルする、
    ことを特徴とする請求項１に記載の位置センサー。
13. 前記環状部材（２３、２４）のそれぞれから脚部（３５、３６）が径方向の平面に対して垂直に延びていて、
    その脚部の、一端はそれぞれ対応する環状部材（２３、２４）の延長であり、他端が磁気感受性素子の１つの面と向かい合っていて磁気カップリングを保証している、
    ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の位置センサー。
14. 前記脚部（３５、３６）がＬ字形に曲がっていて前記磁気感受性素子の互いに反対側にある面の端部に近づいている、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の位置センサー。
15. 前記磁束回収構造（３０）が、半管状の少なくとも１つの第１の扇形区画（３３、３４）を備えていて、
    その扇形区画の中に形成された半管状チャネルの中を移動できる前記環状部材（２３、２４）の内面および外面と磁気的にカップルしている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の位置センサー。
16. 少なくとも１つの磁束回収構造（３０）とカップルした少なくとも２つの磁気感受性素子を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の位置センサー。

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