JP2011169699A

JP2011169699A - 角度センサ

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Publication number: JP2011169699A
Application number: JP2010032823A
Authority: JP
Inventors: Seigo Zaima; 清悟在間; Masayuki Kobayashi; 正幸小林
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: JP5348009B2

Abstract

【課題】高精度の角度センサを提供する。
【解決手段】角度センサ１１は、螺旋状に巻回する転動溝３１を有し、回転軸２０の回転に連動して回転するロータ３０と、転動溝３１を転動する転動体４０と、転動体４０の位置と回転軸２０の回転角とが一対一に対応付けられるように転動体４０の移動方向を案内する案内部材６０と、転動体４０の位置に応じて変化する磁界を検出し、転動体４０の位置に応じた検出信号を出力する磁気センサ５０と、検出信号に基づいて回転軸２０の回転角を演算する信号処理回路８０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は回転軸の回転角を検出する角度センサに関する。

外部磁界を検出するための磁気センサとして、巨大磁気抵抗効果素子や磁気トンネル効果素子等の磁気抵抗効果素子が利用されている。磁気抵抗効果素子は、磁化方向が特定の方向に設定されていて、外部磁界の変位に対して磁化状態（例えば、磁化方向や磁化の強さ）が影響を受けないように構成された磁化固定層（ピン磁性層）と、外部磁界の変化によって磁化状態が変位する磁化自由層（フリー磁性層）とを備えている。磁気抵抗効果素子に外部磁界が作用すると、磁化自由層の磁化状態が変動し、磁化状態が固定されている磁化固定層の磁化状態と、磁化状態が変動する磁化自由層との間に磁化状態の変位差が発生する。この磁化状態の変位差は、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗の変化として現れる。この種の磁気抵抗効果素子の応用例として、例えば、特開２００６−１２５９３８号公報には、ステアリングシャフトの回転に連動してステアリングシャフトの半径方向に移動するように案内された磁性流体の変位を磁気抵抗効果素子によって検出することにより、ステアリングシャフトの回転角を求める回転角度検出装置が提案されている。

特開２００６−１２５９３８号公報

しかし、同公報に開示の回転角度検出装置では、磁性体流体をステアリングシャフトの半径方向に引き寄せるための磁石を必要とするため、この磁石が発生する磁界が磁気抵抗効果素子に及ぼす影響により角度検出精度が低下する虞がある。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、高精度の角度センサを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる角度センサは、螺旋状に巻回する転動溝を有し、回転軸の回転に連動して回転するロータと、転動溝を転動する転動体と、転動体の位置と回転軸の回転角とが一対一に対応付けられるように転動体の移動方向を案内する案内部材と、転動体の位置に応じて変化する磁界を検出し、転動体の位置に応じた検出信号を出力する磁気センサと、検出信号に基づいて回転軸の回転角を演算する信号処理回路と、を備える。従来技術のように磁性体流体をステアリングシャフトの半径方向に引き寄せるための磁石を必要としないので、高精度な角度検出が可能になる。

転動溝は一周以上巻回されてもよい。これにより、信号処理回路は、回転軸の多回転絶対角を演算できる。

磁気センサは、磁化方向が固定されている磁化固定層と、磁界の作用を受けて磁化方向が追随変化する磁化自由層とを備える磁気抵抗効果素子を含んでもよい。磁化固定層の磁化方向は、転動体の移動方向に略平行であることが好ましい。これにより、磁界方向の振れ幅を増大できるので、角度センサの検出分解能を向上できる。

転動体の移動方向は、回転軸の回転中心を通る半径方向に対して所定距離ずれた位置を通る方向であって、且つ回転中心方向とは異なる方向であることが好ましい。これにより、転動体の移動距離を増大できるので、角度センサの検出分解能を向上できる。また、案内溝が案内する転動体の移動経路は、転動溝の始点と終点を結ぶ線分（直線、曲線、又は直線と曲線との結合でもよい。）であることが好ましい。これにより、角度検出の分解能を最大限に拡大できる。なお、磁気抵抗効果素子の磁化固定層の磁化方向が転動体の移動方向に直交すると、磁気センサの感度が低下するため、磁化固定層の磁化方向は、転動体の移動方向及びその移動方向に直交する方向を含む平面内の方向（但し、転動体の移動方向に直交する方向を除く）が好ましい。磁界の向きは、転動体の移動方向に略直交する方向が好ましい。

また、転動体の移動に伴い、磁気センサと転動体の距離が一定となることが好ましい。このように配置することで磁気センサと転動体の距離が一定になるので転動体の移動に伴い磁気センサの感度がばらつく可能性を低減できる。つまり、案内溝や転動溝形状の工夫に合わせて磁気センサを配置すればよい。

転動体として、例えば、磁石を用いることで、転動体に引き寄せられる磁界の強度を増すことができるので、角度センサの検出分解能を向上できる。

本発明の他の観点に係わる角度センサは、閉曲線状の転動溝を有し、回転軸の回転に連動して回転するロータと、転動溝を転動する第一及び第二の転動体と、第一の転動体の位置と回転軸の回転角とが一対二に対応付けられるように第一の転動体の移動方向を案内する第一の案内部材と、第二の転動体の位置と回転軸の回転角とが一対二に対応付けられるように第二の転動体の移動方向を案内する第二の案内部材と、第一の転動体の位置に応じて変化する第一の磁界を検出し、第一の転動体の位置に応じた第一の検出信号を出力する第一の磁気センサと、第二の転動体の位置に応じて変化する第二の磁界を検出し、第二の転動体の位置に応じた第二の検出信号を出力する第二の磁気センサと、第一及び第二の検出信号に基づいて回転軸の回転角を演算する信号処理回路と、を備える。従来技術のように磁性体流体をステアリングシャフトの半径方向に引き寄せるための磁石を必要としないので、高精度な角度検出が可能になる。

転動溝の輪郭を形作る閉曲線は、回転軸の回転中心と同軸の円を除く閉曲線が好適であり、例えば、第一及び第二の検出信号が回転軸の一回転につき一周期の信号波形又は非対称な二周期の信号波形を出力する信号となるように調整されるのが好ましい。

第一の磁気センサは、磁化方向が固定されている第一の磁化固定層と、第一の磁界の作用を受けて磁化方向が追随変化する第一の磁化自由層とを備える第一の磁気抵抗効果素子を含んでもよい。また、第二の磁気センサは、磁化方向が固定されている第二の磁化固定層と、第二の磁界の作用を受けて磁化方向が追随変化する第二の磁化自由層とを備える第二の磁気抵抗効果素子を含んでもよい。第一の磁化固定層の磁化方向は、第一の転動体の移動方向に略平行であることが好ましく、第二の磁化固定層の磁化方向は、第二の転動体の移動方向に略平行であることが好ましい。これにより、磁界方向の振れ幅を増大できるので、角度センサの検出分解能を向上できる。

本発明によれば、高精度の角度センサを提供できる。

実施例１に係わる角度センサの平面図である。図１の２−２線矢視一部断面図である。実施例１，２に係わる磁気抵抗効果素子の断面積層構造を示す模式図である。実施例１に係わる磁気抵抗効果素子から出力される検出信号のグラフである。実施例１に係わる角度センサの変形例を示す説明図である。実施例１に係わる角度センサの変形例を示す説明図である。実施例１に係わる角度センサの変形例を示す説明図である。実施例２に係わる角度センサの平面図である。図８の９−９線矢視一部断面図である。図８の１０−１０線矢視一部断面図である。実施例２に係わる磁気センサの出力電圧のグラフである。参考例に係わる角度センサの説明図である。参考例に係わる磁気センサの出力電圧のグラフである。実施例２に係わる角度センサの変形例を示す説明図である。実施例２に係わる磁気センサの出力電圧のグラフである。実施例１に係わる磁気センサの構成図である。実施例１に係わる磁化固定層の磁化方向を示す説明図である。実施例１に係わる磁気センサの構成図である。実施例１に係わる磁化固定層の磁化方向を示す説明図である。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施例について説明する。同一の部材については、同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。

図１乃至図６を参照しながら本実施例に係わる角度センサ１１の構成について説明する。図１は角度センサ１１の平面図、図２は図１の２−２線矢視一部断面図である。但し、説明の便宜上、図１では磁気センサ５０を透視図とし、図２では案内部材６０を透視図としている。図１及び図２に示すように、角度センサ１１は、螺旋状に巻回する転動溝３１を有するロータ３０と、転動溝３１を転動する転動体４０と、転動体４０の移動方向を案内する案内部材６０と、転動体４０の位置に応じて変化する外部磁界９０を検出し、転動体４０の位置に応じた検出信号を出力する磁気センサ５０と、検出信号に基づいて回転軸２０の回転角を演算する信号処理回路８０とを備える。ロータ３０は、回転軸２０の回転に連動して回転する回転板であり、回転軸２０の回転中心２１に同軸配置されている。ロータ３０の主面には、溝深さ及び溝幅が略一定の転動溝３１が回転中心２１を巻回中心として螺旋状に形成されている。転動溝３１の巻回数は回転軸２０の角度検出範囲に応じて調整される。例えば、回転軸２０の回転角を時計回り方向に０〜９００ｄｅｇの範囲で測定し、且つ反時計回り方向に０〜−９００ｄｅｇの範囲で測定するためには、転動溝３１の巻回数を５に調整すればよい。転動溝３１の巻回数を１以上に調整することで、角度センサ１１は、回転軸２０の一回転以上の多回転絶対角を検出できる。多回転絶対角とは、回転軸２０の回転数を加味した回転軸２０の基準位置からの絶対角を意味し、例えば、回転軸２０の回転数がＮ回転で回転軸２０の基準位置からの相対角がαの多回転絶対角φは、φ＝３６０×Ｎ＋α［ｄｅｇ］である。回転軸２０の例として、例えば、ステアリングシャフトがあるが、本実施例はこれに限定されるものではない。

案内部材６０は、転動体４０の移動を直線方向（例えば、Ｘ方向又はＹ方向）に案内する案内溝６１を有している。回転軸２０の軸芯方向をＺ方向とすると、回転軸２０の回転に連動してロータ３０はＸＹ平面内で回転する。ロータ３０は回転軸２０に固定されてもよく、或いはセレーション結合されてもよい。転動体４０は、ロータ３０の回転時に転動溝３１を転動しながら案内溝６１に沿って直線的に移動する。転動体４０の材質は、外部磁界９０を引き寄せる作用を有する材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、強磁性材質（鉄、コバルト、ニッケル等）でもよく、或いは磁石でもよい。転動体４０の形状は、転動しやすい形状であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、球、円筒等が好適である。

磁気センサ５０は、外部磁界９０を発生させるための磁石５３と、転動体４０の移動に追随して磁界方向が変化する外部磁界９０の変化を電圧変化として検出する磁気抵抗効果素子５１と、磁気抵抗効果素子５１にセンス電流を供給するプリント配線基板５２とを備える。なお、図１６乃至図１９に示すように、磁気抵抗効果素子５１とプリント配線基板５２との配置関係については、磁化固定層の磁化方向７３Ａに応じて様々な配置をとり得る。例えば、図１６に示すように、磁気抵抗効果素子５１、プリント配線基板５２、及び磁石５３がＺ方向に積層されている場合、図１７に示すように、磁気抵抗効果素子５１の磁化固定層の磁化方向７３Ａは、ＸＹ平面内の任意の方向を向く。転動体４０の移動方向をＸ方向とし、その移動方向に直交する方向をＹ方向とすると、磁化固定層の磁化方向７３ＡがＹ方向を向くときに磁気センサ５０の感度が低下する。このため、磁化固定層の磁化方向７３Ａは、Ｙ方向を除くＸＹ平面内の任意の方向であることが好ましい。また例えば、図１８に示すように、磁気抵抗効果素子５１及びプリント配線基板５２がＹ方向に積層されている場合（プリント配線基板５２は磁気抵抗効果素子５１の裏面に配置されているため図示されていない点に留意されたい）、図１９に示すように、磁気抵抗効果素子５１の磁化固定層の磁化方向７３Ａは、ＸＺ平面内の任意の方向を向く。転動体４０の移動方向をＸ方向とし、その移動方向に直交する方向をＺ方向とすると、磁化固定層の磁化方向７３ＡがＺ方向を向くときに磁気センサ５０の感度が低下する。このため、磁化固定層の磁化方向７３Ａは、Ｚ方向を除くＸＺ平面内の任意の方向であることが好ましい。磁界９０の向きは、転動体４０の移動方向に略直交する方向が好ましい。磁気抵抗効果素子５１として、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）型、弾道磁気抵抗（ＢＭＲ）型、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）型等の公知の磁気抵抗効果素子を用いることができる。

図３は磁気抵抗効果素子５１の断面積層構造を示す。磁気抵抗効果素子５１は、下地層７１、反強磁性層７２、磁化固定層７３、非磁性導電層７４、磁化自由層７５、及び保護層７６を積層してなる構造を有している。磁化固定層７３の磁化方向７３Ａは、反強磁性層７２の磁化方向７２Ａと強固に磁気カップリングしているため、外部磁界９０の影響を殆ど受けない。一方、磁化自由層７５の磁化方向７５Ａは、外部磁界９０の磁界方向に追随するように変化する。磁気抵抗効果素子５１の磁気抵抗は、磁気抵抗効果素子５１が検出する外部磁界９０の磁界強度とその磁界方向に依存して変化することが知られている。仮に外部磁界９０の磁界強度が一定である場合には、磁気抵抗効果素子５１の磁気抵抗は、磁化固定層７３の磁化方向７３Ａと磁化自由層７５の磁化方向７５Ａとの角度差ψに依存して変化する。より詳細には、磁気抵抗効果素子５１の磁気抵抗は、（１−ｃｏｓψ）に比例して変化する特性を有しており、磁化固定層７３の磁化方向７３Ａと磁化自由層７５の磁化方向７５Ａとが同一方向かつ平行であるときに磁気抵抗は最小となり、磁化固定層７３の磁化方向７３Ａと磁化自由層７５の磁化方向７５Ａとが逆方向かつ平行であるときに磁気抵抗は最大になる。磁気抵抗効果素子５１には、プリント配線基板５２からセンス電流が供給されており、磁気抵抗効果素子５１の磁気抵抗の変化は、出力電圧の変化として検出される。磁石５３から転動体４０に引き寄せられる外部磁界９０の磁界方向は、案内溝６１に沿って直線的に移動する転動体４０の位置に応じて変化する。転動体４０は、回転軸２０の回転時に螺旋状の転動溝３１を転動しながら案内溝６１に沿って直線方向に移動するため、転動体４０の位置と回転軸２０の回転角とは、一対一に対応付けられる。磁気抵抗効果素子５１の出力電圧は、回転軸２０の回転角の情報を含む検出信号として信号処理される。

図４は、磁気抵抗効果素子５１から出力される検出信号１０１のグラフを示す。同図において、横軸は回転軸２０の回転角を示し、縦軸は磁気抵抗効果素子５１の出力電圧を示している。また、−θｍａｘは角度検出範囲の下限を示し、θｍａｘは角度検出範囲の上限を示す。磁気抵抗効果素子５１の出力電圧は、回転軸２０の回転角に応じて線形的に増減する。信号処理回路８０は、回転軸２０の回転角と磁気抵抗効果素子５１の出力電圧との対応関係を示すデータテーブル（又は関数）をメモリ（図示せず）に保持しており、磁気抵抗効果素子５１の出力電圧とデータテーブル（又は関数）とを比較して、回転軸２０の回転角を演算する。

上述のセンサ構成において、磁化固定層７３の磁化方向７３Ａは、転動体４０の移動方向６２（図１参照）に略平行であるのが好ましい。これにより、転動体４０の移動に伴う外部磁界９０の磁界方向の振れ幅（回転軸２０の最小角度に対応する外部磁界９０の角度と回転軸２０の最大角度に対応する外部磁界９０の角度との差分）を増大できるので、角度センサ１１の検出分解能を向上できる。また、図１に示すように、転動体４０の移動方向６２は、回転軸２０の回転中心２１を通る半径方向３２に対して所定距離ΔＸずれた位置を通る方向であって、且つ回転中心２１に向かう方向（回転中心方向）とは異なる方向に調整するのが好ましい。言い換えれば、転動体４０の移動方向６２は、回転軸２０の回転時における転動体４０の移動距離Ｌ（回転軸２０の最小角度に対応する転動体４０の位置と回転軸２０の最大角度に対応する転動体４０の位置との差分）がロータ３０の半径よりも長くなるようにロータ３０上の二点を通る方向に調整するのが好ましい。これにより、転動体４０の移動距離Ｌを増大できるので、角度センサ１１の検出分解能を向上できる。

また、上述の説明では、案内溝６１が案内する転動体４０の移動経路は直線である場合を例示したが、例えば、図７に示すように、案内溝６１が案内する転動体４０の移動経路６３が転動溝３１の始点３１Ａと終点３１Ｂとを結ぶ線分（直線、曲線、又は直線と曲線との結合の何れでもよい。）となるように案内溝６１を形成してもよい。これにより、角度検出の分解能を最大限に拡大できる。また、磁気抵抗効果素子５１の磁化固定層７３の磁化方向７３Ａが転動体４０の移動方向４１に直交すると、磁気センサ５０の感度が低下するため、磁化固定層７３の磁化方向７３Ａは、転動体４０の移動方向４１及び移動方向４１に直交する方向を含む平面内の方向（但し、移動方向４１に直交する方向を除く）が好ましい。磁界９０の磁界方向９１は、転動体４０の移動方向に略直交する方向が好ましい。なお、説明の便宜上、図７は転動溝３１の溝幅の図示を省略し、螺旋曲線として図示している点に留意されたい。

また、図５及び図６に示すように、案内部材６０の案内溝６１に沿って複数の転動体４０が移動するように構成してもよい。例えば、図５は、隣接する二つの溝３１にそれぞれ一つの転動体４０が転動し、合計二つの転動体４０が案内溝６１に沿って移動する場合を示す。図６は、隣接する二つの溝３１にそれぞれ二つの動体４０が転動し、合計四つの転動体４０が案内溝６１に沿って移動する場合を示す。このような構成により、複数の転動体４０によって引き付けられる外部磁界９０の強さが増すので、角度センサ１１の検出分解能が向上する。

本実施例に係わる角度センサ１１によれば、一つの磁気センサ５０で回転軸２０の多回転絶対角を検出できるため、回転軸２０の回転角を検出するためのセンサとは別に回転軸２０の回転数を検出するためのセンサを設ける必要がなく、利便性に優れている。また、従来技術のように磁性体流体をステアリングシャフトの半径方向に引き寄せるための磁石を必要としないので、高精度な角度検出が可能になる。

なお、角度センサ１１をトーションバーの入力軸と出力軸のそれぞれに取り付けることによって、入力軸の回転角と出力軸の回転角との位相差からトーションバーの軸トルクを求めることもできる。

次に、図８乃至図１５を参照しながら本実施例に係わる角度センサ１２の構成について説明する。図８は角度センサ１２の平面図、図９は図８の９−９線矢視一部断面図、図１０は図８の１０−１０線矢視一部断面図である。但し、説明の便宜上、図８では磁気センサ５０Ａ，５０Ｂを透視図とし、図９では案内部材６０Ａを透視図とし、図１０では案内部材６０Ｂを透視図としている。図８乃至図１０に示すように、角度センサ１２は、閉曲線状の転動溝３３を有するロータ３０と、転動溝３３を転動する転動体４０Ａ，４０Ｂと、転動体４０Ａの直線的な移動方向を案内する案内溝６１Ａを有する案内部材６０Ａと、転動体４０Ｂの直線的な移動方向を案内する案内溝６１Ｂを有する案内部材６０Ｂと、転動体４０Ａの位置に応じて変化する磁界９０Ａを検出し、転動体４０Ａの位置に応じた検出信号を出力する磁気センサ５０Ａと、転動体４０Ｂの位置に応じて変化する磁界９０Ｂを検出し、転動体４０Ｂの位置に応じた検出信号を出力する磁気センサ５０Ｂと、磁気センサ５０Ａ，５０Ｂからそれぞれ出力される検出信号に基づいて回転軸２０の回転角を演算する信号処理回路８０とを備える。ロータ３０は、回転軸２０の回転に連動して回転する回転板であり、その主面には、溝深さ及び溝幅が略一定の転動溝３３が閉曲線状に形成されている。案内溝６１Ａ、６１Ｂは必ずしも直線である必要はなく、曲線であってもよい。案内溝６１Ａ、６１Ｂを曲線にすることで移動距離を稼ぐことが可能となり回転角度検出の精度を上げられることが可能となる。転動溝３３の輪郭を形作る閉曲線として、本実施例では、転動溝３３の形が、点３４から偏心した点２１を中心とした円形を例示するが、これに限定されるものではない。閉曲線の条件については後述する。また、ロータ３０の平面形状が円または点３４を中心とした点対称形状である場合、ロータ３０の中心は回転中心２１と同軸に配置されることが好ましい。

なお、磁気センサ５０Ａ，５０Ｂの構成は、実施例１の磁気センサ５０の構成と同じであるため、詳細な説明を省略する。また、転動体４０Ａ，４０Ｂの材質は、外部磁界９０Ａ，９０Ｂを引き寄せる作用を有する材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、強磁性材質（鉄、コバルト、ニッケル等）でもよく、或いは磁石でもよい。転動体４０Ａ，９０Ｂの形状は、転動しやすい形状であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、球、円筒等が好適である。

ロータ３０は、回転軸２０の回転に連動して回転する回転板であり、回転軸２０の回転中心２１に同軸配置されている。案内部材６０Ａ，６０Ｂは、回転軸２０の回転中心２１に関して角度差ψで配置されており、案内溝６１Ａ，６１Ｂは、それぞれ回転軸２０の半径方向を向いている。なお、案内溝６１Ａ，６１Ｂは半径方向を必ずしも向いてなくてもよい。転動溝３３の輪郭を形作る閉曲線が偏心円である場合、転動体４０Ａ，４０Ｂは、それぞれロータ３０の回転時に案内溝６１Ａ，６１Ｂに沿って単振動に近い反復直線運動を周期的に繰り返す。これにより、磁気センサ５０Ａ，５０Ｂに作用する磁界９０Ａ，９０Ｂの磁界方向が転動体４０Ａ，４０Ｂの反復直線運動に連動してそれぞれ周期的に変化する。磁気センサ５０Ａ，５０Ｂは、図３に示す磁気抵抗効果素子５１を有しており、磁界９０Ａ，９０Ｂの磁界方向の変化は、それぞれ磁気センサ５０Ａ，５０Ｂが有する磁気抵抗効果素子５１の磁気抵抗の変化として現れる。磁気センサ５０Ａ，５０Ｂが有する磁気抵抗効果素子５１にはプリント配線基板５２からセンス電流が供給されており、磁気抵抗効果素子５１の磁気抵抗の変化は、出力電圧の変化として検出される。転動体４０Ａ，４０Ｂの位置と磁気センサ５０Ａ，５０Ｂに作用する磁界９０Ａ，９０Ｂの磁界方向とは一対一に対応付けられ、且つ、転動体４０Ａ，４０Ｂの位置と回転軸２０の回転角度は一対二に対応付けられるので、磁気センサ５０Ａ，５０Ｂが有する磁気抵抗効果素子５１の出力電圧は、回転軸２０の回転角の情報を含む検出信号として信号処理される。図１１の符号１０２Ａ，１０２Ｂは、それぞれ、磁気センサ５０Ａ，５０Ｂの出力電圧を示す。同図に示すように、出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂは、正弦波信号となるため、同一の電圧値に対応する回転軸２０の回転角が最大二つ存在する。これは、転動体４０Ａの位置と回転軸２０の回転角とが一対二に対応付けれ、且つ、転動体４０Ｂの位置と回転軸２０の回転角とが一対二に対応付けられることに起因している。図１１に示すように、回転軸２０の一回転につき一周期の出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂが出力される場合には、図８に示す角度差ψを９０ｄｅｇに調整することで、出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂの位相差を９０ｄｅｇに調整できる。信号処理回路８０は、磁気センサ５０Ａ，５０Ｂが有する磁気抵抗効果素子５１の出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂと回転軸２０の回転角との対応関係を示すデータテーブル（又は関数）をメモリ（図示せず）に保持しており、出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂとデータテーブル（又は関数）とを比較して、回転軸２０の回転角を演算する。

転動溝３３の輪郭を形作る閉曲線は、回転軸２０の回転中心２１と同軸の円を除く閉曲線を含めることができるが、以下の条件を満たす必要がある。まず、第１の条件として、閉曲線の中心点が回転軸２０の回転中心２１に対して偏心している場合には、出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂは、回転軸２０の一回転につき極大及び極小がそれぞれ二つ以下で且つ曲率の符号が変化しない信号波形にならなければならない。例えば、転動溝３３の輪郭を形作る閉曲線が図１２に示すような形状である場合、磁気センサ５０Ａから出力される出力電圧は、図１３に示すような信号波形を有する。図１３に示すような信号波形は、上述の第１の条件を満たさず、同一の回転角度に対して最大二つの電圧値が対応するので、回転軸２０の回転角度を求めることができない。また、図示していないが、磁気センサ５０Ａ，５０Ｂのそれぞれから出力される出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂが所定の角度範囲（例えば、角度差ψに対応する出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂの位相差）にわたり一定値を保持する場合には、正確な角度検出ができないので好ましくない。次に、第２の条件として、閉曲線の中心点が回転軸２０の回転中心２１に対して偏心している場合であって、出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂが回転軸２０の一回転につき二周期の信号波形となる場合には、転動溝３３の輪郭を形作る閉曲線は、出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂが回転軸２０の一回転につき非対称な二周期の信号波形を出力する信号にならなければならない。出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂが回転軸２０の一回転につき対称な二周期の信号波形を出力してしまうと、同一の電圧値に対応する回転軸２０の回転角が最大四つ存在することになり、二つの磁気センサ５０Ａ，５０Ｂで回転軸２０の回転角を求めることができないためである。但し、出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂが回転軸２０の一回転につき一周期の信号波形を出力する信号となる場合は、出力電圧１０２Ａ，１０２Ｂの信号波形は非対称である必要はない。

なお、図１４に示すように、転動溝３３の輪郭を形作る閉曲線が回転軸２０の回転中心２１に関して点対称になる場合には、図１５に示すように、磁気センサ５０Ａから出力される出力電圧は、回転軸２０の一回転につき複数周期の同一信号波形が出力されるので、回転軸２０の回転角度が基準角度θ０になるときの電圧を閾値電圧とし、出力電圧が閾値電圧を超えるとき又は下回るときに回転角をθ１，θ２，θ３，…，θＮとカウントアップすることにより回転軸２０の回転角を求めることができる。点対称な閉曲線の例として、図１４では、六角形を示しているが、この例に限られるものではなく、例えば、楕円、菱形等でもよい。

磁気センサ５０Ａの磁気抵抗効果素子５１が有する磁化固定層７３の磁化方向７３Ａは、転動体４０Ａの移動方向に略平行であるのが好ましい。これにより、転動体４０Ａの移動に伴う外部磁界９０Ａの磁界方向の振れ幅を増大できるので、角度センサ１２の検出分解能を向上できる。同様の理由により、磁気センサ５０Ｂの磁気抵抗効果素子５１が有する磁化固定層７３の磁化方向７３Ａは、転動体４０Ｂの移動方向に略平行であるのが好ましい。

なお、本実施例１，２では、転動体の移動に伴い、磁気センサと転動体の距離が一定となることが好ましい。このように配置することで磁気センサと転動体の距離が一定になるので転動体の移動に伴い磁気センサの感度がばらつく可能性を低減できる。つまり、案内溝や転動溝形状の工夫に合わせて磁気センサを配置する。

なお、本実施例１、２において、磁気抵抗効果素子５１の磁化自由層７５の長手方向と転動体４０，４０Ａ，４０Ｂの移動方向は、直交することが好ましい。これにより、磁化自由層７５は長手方向での反転がなくヒステリシスが存在しないので、角度検出精度の向上が望める。

なお、角度センサ１２をトーションバーの入力軸と出力軸のそれぞれに取り付けることによって、入力軸の回転角と出力軸の回転角との位相差からトーションバーの軸トルクを求めることもできる。

本発明に係わる角度センサは、回転軸の回転角度検出や回転角度差に基づくトルク検出等に利用できる。

１１，１２…角度センサ
２０…回転軸
３０…ロータ
３１，３３…転動溝
４０，４０Ａ，４０Ｂ…転動体
５０，５０Ａ，５０Ｂ…磁気センサ
５１…磁気抵抗効果素子
５２…プリント配線基板
５３…磁石
６０，６０Ａ，６０Ｂ…案内部材
７１…下地層
７２…反強磁性層
７３…磁化固定層
７４…非磁性導電層
７５…磁化自由層
７６…保護層
８０…信号処理回路
９０，９０Ａ，９０Ｂ…外部磁界

Claims

螺旋状に巻回する転動溝を有し、回転軸の回転に連動して回転するロータと、
前記転動溝を転動する転動体と、
前記転動体の位置と前記回転軸の回転角とが一対一に対応付けられるように前記転動体の移動方向を案内する案内部材と、
前記転動体の位置に応じて変化する磁界を検出し、前記転動体の位置に応じた検出信号を出力する磁気センサと、
前記検出信号に基づいて前記回転軸の回転角を演算する信号処理回路と、
を備える角度センサ。
請求項１に記載の角度センサであって、
前記転動溝は一周以上巻回されており、
前記信号処理回路は、前記回転軸の多回転絶対角を演算する、角度センサ。
請求項１又は請求項２に記載の角度センサであって、
前記磁気センサは、磁化方向が固定されている磁化固定層と、前記磁界の作用を受けて磁化方向が追随変化する磁化自由層とを備える磁気抵抗効果素子を含み、
前記磁化固定層の磁化方向は、前記転動体の移動方向に略平行である、角度センサ。
請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の角度センサであって、
前記転動体の移動方向は、前記回転軸の回転中心を通る半径方向に対して所定距離ずれた位置を通る方向であって、且つ回転中心方向とは異なる方向である、角度センサ。
請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の角度センサであって、
前記転動体と前記磁気センサとの距離が一定である、角度センサ。
請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の角度センサであって、
前記転動体は磁石である、角度センサ。
閉曲線状の転動溝を有し、回転軸の回転に連動して回転するロータと、
前記転動溝を転動する第一及び第二の転動体と、
前記第一の転動体の位置と前記回転軸の回転角とが一対二に対応付けられるように前記第一の転動体の移動方向を案内する第一の案内部材と、
前記第二の転動体の位置と前記回転軸の回転角とが一対二に対応付けられるように前記第二の転動体の移動方向を案内する第二の案内部材と、
前記第一の転動体の位置に応じて変化する第一の磁界を検出し、前記第一の転動体の位置に応じた第一の検出信号を出力する第一の磁気センサと、
前記第二の転動体の位置に応じて変化する第二の磁界を検出し、前記第二の転動体の位置に応じた第二の検出信号を出力する第二の磁気センサと、
前記第一及び第二の検出信号に基づいて前記回転軸の回転角を演算する信号処理回路と、
を備える角度センサ。
請求項７に記載の角度センサであって、
前記閉曲線は、前記回転軸の回転中心と同軸の円を除く閉曲線である、角度センサ。
請求項７又は請求項８に記載の角度センサであって、
前記転動体の移動方向は、前記回転軸の回転中心を通る半径方向に対して所定距離ずれた位置を通る方向であって、且つ回転中心方向とは異なる方向である、角度センサ。
請求項７乃至請求項９のうち何れか１項に記載の角度センサであって、
前記転動体と前記磁気センサとの距離が一定である、角度センサ。
請求項７に記載の角度センサであって、
前記閉曲線は、前記第一及び第二の検出信号が前記回転軸の一回転につき一周期の信号波形又は非対称な二周期の信号波形を出力する信号となるように調整されている、角度センサ。
請求項７乃至請求項１１のうち何れか１項に記載の角度センサであって、
前記第一の磁気センサは、磁化方向が固定されている第一の磁化固定層と、前記第一の磁界の作用を受けて磁化方向が追随変化する第一の磁化自由層とを備える第一の磁気抵抗効果素子を含み、
前記第一の磁化固定層の磁化方向は、前記第一の転動体の移動方向に略平行であり、
前記第二の磁気センサは、磁化方向が固定されている第二の磁化固定層と、前記第二の磁界の作用を受けて磁化方向が追随変化する第二の磁化自由層とを備える第二の磁気抵抗効果素子を含み、
前記第二の磁化固定層の磁化方向は、前記第二の転動体の移動方向に略平行である、角度センサ。
請求項７乃至請求項１２のうち何れか１項に記載の角度センサであって、
前記第一及び第二の転動体は磁石である、角度センサ。