JP2014134382A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小型かつ低価格に優れると共に高精度にトルクを検出するトルク検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】力が作用する入力軸２と、弾性変形するトーションバー４と、トーションバー４を介して入力軸２に連結される出力軸３とを同軸に配置し、入力軸２と出力軸３との対向する端部のそれぞれに第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂを設置し、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂの間に生じる磁界内に磁気検知部６を設置し、磁界の変化を磁気検知部６が検知することで、トーションバー４に生じるトルクを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トーションバーを介して連結される入力軸と出力軸とを有する回転体に生じるトルクを検出するトルク検出装置に関する。

自動車の操舵を補助する機構として電動パワーステアリング装置が普及している。この電動パワーステアリング装置は、トルク検出装置がステアリングシャフトに生じるトルクを検出し、この検出されたトルクに応じて電動モータにより補助力を加え操舵を補助している。

特許文献１に開示されるトルク検出装置１０１は、本願の図１０に示すように、トーションバーとしての外軸１０２と同心的に配置される内軸１０３とを備え、外軸１０２と内軸１０３との一方の端部にトルクが作用し、外軸１０２と内軸１０３との他方の端部でトルクを検出する。

内軸１０３がトルクの作用する第一接続部分１０９で外軸１０２に堅固に固定され、外軸１０２及び内軸１０３の前記他方の端部にそれぞれ第二の信号発生部材（磁気発生部）１０６と第一の信号発生部材（磁気発生部）１０５が設置され、それぞれの一つの定置に第二の信号検出部材（磁気検知部）１０８と第一の信号検出部材（磁気検知部）１０７とが設置されている。

特許文献２に開示されるトルク検出装置２０１は、本願の図１１に示すように、トルクが付与される入力軸２０２とトーションバー２０４を介して同軸に配置される出力軸２０３を備える。

第一の被検知板（磁気発生部）２０５が入力軸２０２の外周面に偏心的に設置され、第一の被検知板２０５に対向して第一の磁気センサ（磁気検知部）２０７が設置される。第二の被検知板（磁気発生部）２０６が、出力軸２０３の外周面に偏心的に設置され、第二の被検知板２０６に対向して第二の磁気センサ（磁気検知部）２０８が設置される。そして、第一の磁気センサ２０７と第二の磁気センサ２０８との出力の差に基づいて入力軸２０２に付与される回転トルクを検出する。

特表２００３−５１５７３５号公報 特開２０００−３５６５５９号公報

特許文献１に開示されるトルク検出装置１０１は、トーションバーとしての外軸１０２と外軸１０２に同心的に配置される内軸１０３とを備える二重構造であり、その構造が複雑であるためにコストが高いと共に、二重構造のために内軸１０３に直交する方向の径が大きくなり小型化が困難であった。

また、外軸１０２の他方の端部の領域において、第二の信号検出部材（磁気検知部）１０８が軸中心に配置され、内軸１０３に略直交する方向において第二の信号検出部材１０８の外側に第二の信号発生部材（磁気発生部）１０６が同心的に配置されているため、内軸１０３に直交する方向の径が大きくなり小型化が困難であった。

また、外軸１０２の外周に第二接続部分１１０が形成され、カイドロッド１１１が第二接続部分１１０に連結されて、外軸１０２の外周に設置されている。そして、回転運動が第二接続部分１１０からカイドロッド１１１に伝達される。このように、カイドロッド１１１が外軸１０２の外周に設置される構造のために、その構造が複雑であると共に、内軸１０３に直交する方向の径が大きくなり小型化が困難であった。

特許文献２に開示されるトルク検出装置２０１は、入力軸２０２と出力軸２０３とが同軸に配置され、入力軸２０２に第一の被検知板（磁気発生部）２０５及び出力軸２０３に第二の被検知板（磁気発生部）２０６が、それぞれ入力軸２０２及び出力軸２０３の外周面に偏心して取り付けられる複雑な構造である。そして、第一の被検知板２０５に対向して第一の磁気センサ（磁気検知部）２０７及び第二の被検知板２０６に対向して第二の磁気センサ（磁気検知部）２０８が、第一の被検知板２０５及び第二の被検知板２０６の外側に設置されている。

そのため、特許文献２に開示されるトルク検出装置２０１は、入力軸２０２及び出力軸２０３に直交する方向の径が大きくなり小型化が困難であると共に、コストが高かった。

特許文献１においては、二つの磁気発生部１０５、１０６のそれぞれに対向して磁気検知部１０７、１０８を別々に設置する。そして、二つの磁気検知部１０７、１０８が計測した回転角度の差からトルクを検出している。同じように、特許文献２においても、二つの磁気発生部２０５、２０６のそれぞれに対向して磁気検知部２０７、２０８を別々に設置する。そして、二つの磁気検知部２０７、２０８が計測した回転角度の差からトルクを検出している。

そのため、磁気発生部と磁気検知部の組み合わせを二つ設置することが必要であり、設置コストが増大すると共に、この二つの設置に伴う二つの誤差がトルクの検出値に生じることになり、検出精度が劣っていた。
また、全周３６０°回転角度の内の数度の角度差からトルクを検出するため、検出精度が劣っていた。

自動車には安全性、省エネ性、快適性等が求められ、自動車の電子化が進展している。このため、自動車電装部品には、各種センサ、前記各種センサからの出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路、また、電子制御を行うマイコン等と多数の電子部品が搭載されている。

このため、省スペース化が必須であり、前記各種センサを含めた電子部品の小型化が要求されている。また、自動車コストの数十％を電子部品が占めると言われる状況では、前記各種センサを含めた電子部品の低価格化が求められている。

本発明は、このような課題を顧みてなされたものであり、小型かつ低価格に優れると共にトルクを高精度に検出するトルク検出装置を提供することを目的とする。

力が作用する入力軸と、弾性変形するトーションバーと前記トーションバーを介して前記入力軸に連結される出力軸とを有し、前記入力軸と前記トーションバーと前記出力軸とは一体的に回転可能に設けられ、前記入力軸と前記出力軸との対向する端部のそれぞれに磁気発生部が設置され、二つの前記磁気発生部の間に生じる磁界内に磁気検知部が設置され、前記磁界の変化を前記磁気検知部が検知することで、前記トーションバーに生じるトルクを検出することを特徴とする。

前記磁気発生部が前記入力軸と前記出力軸との対向する端部のそれぞれに設置され、前記磁気検知部が二つの前記磁気発生部の間に生じる磁界内に設置されるので、二つの前記磁気発生部と磁気検知部とは軸方向に直列に設置される。このため、前記入力軸と前記出力軸とに直交する径の大きさが抑制され、小型化に優れる。

また、前記入力軸と前記出力軸とが前記トーションバーを介して配置され、それぞれの対向する端部に磁気発生部を設置し、二つの前記磁気発生部の間に生じる磁界内に前記磁気検知部を設置する単純な構造であるので、低価格化に優れる。

また、トルクによって前記トーションバーが捩れ、二つの前記磁気発生部が捩れた状態で回転し、前記捩れに応じて磁界は連続的に変化する。この磁界の連続的な変化を前記磁気検知部が検知することで、トルクが検出される。このような態様で磁界の連続的な変化のみに応じてトルクを検出するため、高精度にトルクを検出することが可能である。

よって、本発明によれば、小型かつ低価格に優れると共に高精度にトルクを検出するトルク検出装置を提供することができる。

前記入力軸、前記トーションバー及び前記出力軸が、同軸に配置されることが好ましい。

前記入力軸、前記トーションバー及び前記出力軸が同軸に配置されることは、前記同軸に直交する方向の径を抑制できるので、トルク検出装置の小型化に優れる。

二つの前記磁気発生部が前記入力軸と前記出力軸との対向する端部の前記同軸に直交する面のそれぞれに同心状に配列される複数の磁石部材からなることが好ましい。

二つの前記磁気発生部が前記入力軸と前記出力軸との対向する端部の前記同軸に直交する面内に配置されるので、前記入力軸と前記出力軸とに直交する径の大きさが抑制される。よって、小型化に優れる。また、同心状に配列される二つの前記複数の磁石部材が対向して配置されるので、その間に均一な強い磁界が生まれる、よって、高精度にトルクを検出することができる。

二つの前記磁気発生部が前記入力軸と前記出力軸との対向する外周面端部のそれぞれに同心状に配列される複数の磁石部材からなることが好ましい。

二つの前記磁気発生部が前記入力軸と前記出力軸との対向する外周面端部に配置されることで、二つの前記磁気発生部と前記磁気検知部とが軸方向に直列に配置されるので、前記入力軸と前記出力軸とに直交する径の大きさが抑制される。よって、小型化に優れる。また、同心状に配列される二つの前記複数の磁石部材が対向して配置されるので、その間に均一な強い磁界が生まれる。よって、高精度にトルクを検出することができる。

二つの前記複数の磁石部材が同数であり、且つ二つの前記複数の磁石部材の全てが略同形状であることが好ましい。

このような態様であれば、二つの前記複数の磁石部材の配列の中心を結んだ軸に対し、対称的な磁場分布を得ることができる。よって、二つの前記複数の磁石部材の配列の中心を結んだ軸と同軸である前記トーションバーの捩れに応じて、磁界は安定的に連続的な変化をする。

前記磁気検知部が二つの磁気センサからなり、前記二つの磁気センサが前記磁石部材の磁極長の略半分である間隔に配置されることが好ましい。

トルクが生じることで前記トーションバーが捩れ、二つの前記複数の磁石部材が互いに捩れた状態で回転することで磁界の方向が変化する。二つの前記磁気センサが軸の回転方向に前記磁石部材の磁極長の半分である間隔に配置されると、二つの前記磁気センサは前記磁界の変化を互いに９０°の位相差で検知する。その結果、トルクに応じる振幅で振動する正弦波信号と余弦波信号とが得られ、両信号の二乗和を算出することでトルクを検出することができる。

前記磁気センサが複数のＧＭＲ素子からなることが好ましい。

このような態様であれば、トルクを高感度に検出することが可能である。

トルクがゼロの際に、対向する二つの前記磁気発生部が互いにＮ磁極とＳ磁極とを対向するように配置され、対向する前記Ｎ磁極と前記Ｓ磁極とが形成する磁界の方向が、前記複数のＧＭＲ素子の位置で前記複数のＧＭＲ素子の感度軸と同じ方向になるように、前記複数のＧＭＲ素子の感度軸が設定されていることが好ましい。

対向する二つの前記磁気発生部の間に形成される磁界の方向と前記複数のＧＭＲ素子の感度軸の方向とを一致させることで、トルクを高感度に検出することが可能となる。

前記複数のＧＭＲ素子が、磁化方向が固定される固定磁性層と、外部磁界によって磁化方向が変動する自由磁性層と、前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に位置する非磁性導電層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化方向が感度軸方向である素子部を備え、前記素子部には、前記素子部の素子幅方向に直交する素子長さ方向の途中位置及び両端部に、膜厚方向に向けて凹部が形成され、この凹部内に永久磁石層が設けられ、前記素子部と前記永久磁石層とで素子連設体が構成され、前記感度軸方向が前記素子幅方向であり、外部磁界がゼロの際に前記永久磁石層によって前記自由磁性層の磁化方向が前記素子長さ方向に向けられ、前記複数の前記素子連設体が前記素子幅方向に間隔を空けて並設され、隣接する前記素子連設体の前記素子長さ方向の端部同士が接続されてミアンダ状を成していることが好ましい。

このような態様であれば、外部磁界がゼロの際に前記複数のＧＭＲ素子の抵抗値が略中央値となり、外部磁界の変化に応じ前記中央値を中心に出力されるので、線形性の良い出力を得ることが可能となる。また、前記素子部を複数の帯状の長尺パターンが折り返してなるミアンダ形状にすることで、トルクを高感度に検出することが可能となる。

前記複数のＧＭＲ素子が、前記感度軸方向に直交する磁界を遮蔽する構造を有することが好ましい。

前記入力軸と前記出力軸との対向する面にそれぞれ配列される前記複数の磁石部材の近傍には、磁極間に円弧状の形状をした前記感度軸方向に略直交する磁力線が分布している。この磁力線はトルク検出に用いられず、この磁力線はノイズとして働く。よって、前記感度軸方向に直交する磁界を遮蔽する構造を有することは、Ｓ／Ｎ比の大きい出力が得られると共に、前記入力軸と前記出力軸との間隔を短くできるので小型化に優れる。

二つの前記磁気センサと前記磁気センサの出力を二乗する二つの二乗アンプと二つの前記二乗アンプの出力を加算する加算アンプとを有し、二つの前記磁気発生部の間に生じる磁界内に設置される二つの前記磁気センサがそれぞれに二つの前記ＧＭＲ素子と二つの抵抗素子とでブリッジ回路を形成してなり、前記トーションバーにトルクが生じると前記磁界が変化し、この前記磁界の変化による二つの前記磁気センサの出力がそれぞれに各前記二乗アンプによって二乗され、二つの前記二乗アンプの出力が前記加算アンプにより加算された値によって、前記トーションバーに生じるトルクを検出することが好ましい。

このような態様であれば、トルクに応じてほぼ同じ振幅で振動する余弦波信号と正弦波信号とが二つの前記磁気センサから出力され、この二つの信号がそれぞれに各前記二乗アンプによって二乗され、二つの前記二乗アンプの出力が前記加算アンプにより加算されることで、前記振幅の二乗値が得られる。そして、この二乗値によって前記トーションバーに生じるトルクを求めることができる。

本発明によれば、小型かつ低価格に優れると共に高精度にトルクを検出するトルク検出装置を提供することができる。

第一の実施形態であるトルク検出装置の断面略図を示す。 第一の実施形態である磁気発生部の平面略図を示す。 第一の実施形態である磁気発生部と磁気検知部の概略説明図を示す。 第一の実施形態である磁気検知部の電気回路の概略説明図を示す。 第一の実施形態である電動パワーステアリング装置に搭載されるトルク検出装置の説明図を示す。 第一の実施形態であるＧＭＲ素子の断面略図である。 第二の実施形態である感度軸に直交する磁界を遮蔽する構造を有するＧＭＲセンサの平面略図である。 磁石の周囲に分布する磁力線の模式図である。 第三の実施形態であるトルク検出装置の断面略図を示す。 特許文献１に開示されるトルク検出装置の断面略図を示す。 特許文献２に開示されるトルク検出装置の断面略図を示す。

<第一の実施形態>
第一の実施形態について、図１から図６の図面に基づいて説明する。図５に示すように、トルク検出装置１は、自動車の電動パワーステアリング装置に搭載されて用いられる。ステアリングホイール１３の操舵によりステアリングシャフト１４に生じるトルクをトルク検出装置１が検出し、その出力であるトルク信号が制御器１７に送信される。次に、制御器１７が、前記トルク信号と車速とに応じて電動モータ１６を制御することで、減速ギア１５を介してステアリングシャフト１４に操舵補助力が加えられる。

本実施形態では、トルク検出装置１は電動パワーステアリング装置に搭載されて用いられるが、これに限定されるものではない。本発明は、例えば、各種機器の関節軸、特に、ロボットの指関節、または、電動アシスト自転車及び電動工具類等のトルク検知に応用することができる。

トルク検出装置１は、ステアリングシャフト１４を介してステアリングホイール１３に接続される入力軸２と、ピニオンギア１８に接続される出力軸３を有する。入力軸２と出力軸３とは、ベアリング１０を介して軸周りに回転自在に筐体１２に支持され、筐体１２は自動車の構成部材に固定されている。

入力軸２と出力軸３とは、同軸に配置され、弾性変形するトーションバー４を介して連結されている。ステアリングホイール１３の操舵力はステアリングシャフト１４を介して入力軸２に作用し、トーションバー４を介して出力軸３に作用する。そして、ピニオンギア１８、ラックギア１９を介して車輪２０に作用するが、車輪２０と路面との摩擦等の反発力がある際には、出力軸３の回転が入力軸２の回転に遅れ始め、トーションバー４に捩れが発生する。

図２に第一の実施形態である磁気発生部５（５ａ、５ｂ）の平面略図を示す。本実施形態では、磁気発生部５は、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとによって構成される。この図２ａと図２ｂは、それぞれ、トーションバー４側から第一の磁気発生部５ａまたは第二の磁気発生部５ｂを見た際の平面略図である。ただし、トーションバー４は断面で図示している。図２に示すように、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとは、八個の略円弧状の磁石部材７が同心的に配列されている。図３に第一の実施形態である磁気発生部５と磁気検知部６の概略説明図を示す。図３ａに示すように、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとは共に、複数の磁石部材７のＮ極からＳ極への向きがトーションバー４の長手方向に一致し、同一の磁気発生部５（５ａ、５ｂ）内の隣接する磁石部材７の磁極が交互にＮ極とＳ極とが繰り返すように配列されている。また、磁気検知部６は、二つのＧＭＲセンサ９によって構成されている。

特許文献１では、図１０に示すように、第二の信号検出部材１０８を中心にして、内軸１０３に略直交する方向において第二の信号検出部材１０８の外側に第二の信号発生部材１０６が同心的に配置されている。また、特許文献２では、図１１に示すように、第一の磁気センサ２０７と第二の磁気センサ２０８とが、トーションバー２０４に略直交する方向において第一の被検知板２０５と第二の被検知板２０６との外側に同心的に配置されている。よって、特許文献１と特許文献２とは、内軸１０３またはトーションバー２０４に直交する方向の径が大きくなり小型化が困難であった。

ところが、本実施形態は、図２、図３に示すように、入力軸２、第一の磁気発生部５ａ、トーションバー４、第二の磁気発生部５ｂ、出力軸３及び二つのＧＭＲセンサ９は、軸方向（図２のＸ方向）に配置されている。そして、二つのＧＭＲセンサ９は、トーションバー４に略直交する方向において、第一の磁気発生部５ａ及び第二の磁気発生部５ｂと同一半径近傍に重なり合っている。また、第一の磁気発生部５ａ、第二の磁気発生部５ｂ及び二つのＧＭＲセンサ９が、それぞれ入力軸２及び出力軸３の外周面より内側に配置されている。よって、特許文献１及び特許文献２に比べて、トーションバー４に直交する方向の径を小さくできるので小型化に優れる。

本実施形態では、八個の略円弧状の磁石部材７を同心的に配列したが、これに限定されるものではない。任意の個数で、且つ任意の形状である複数の磁石部材７を配列することが可能であるが、最低二個の磁石部材７があればトルクを検出することができる。磁石部材７の材料として、フェライト磁石、希土類磁石、金属磁石及び焼結磁石等を用いることができる。また、ゴム磁石、プラスチック磁石、ボンド磁石等を用いることもできる。また、磁石部材７を複数設けずに、一つの磁石部材を軸方向（図２のＸ方向）に交互に着磁することによって、交互にＮ極とＳ極とを繰り返すように配列する磁気発生部５を得ることもできる。

本実施形態では、磁気検知部６は二個のＧＭＲセンサ９によって構成される。図３ａ及び図３ｂ（二つのＧＭＲセンサ９近傍の拡大図）に示すように、二つのＧＭＲセンサ９が軸中心から略同距離にあり第一の円周５１の線上に配置されている。そして、二つのＧＭＲセンサ９の同等な点（例えば、中心点等）を隔てる第一の円周５１の線上の距離８ａは、第一の円周５１を第一の磁気発生部５ａの表面にトーションバー４の長手方向（図２のＸ方向）に平行移動した第二の円周５２の線上での磁極長の略半分８に等しく設定されている。

図４に第一の実施形態である磁気検知部６の電気回路の概略説明図を示す。図４に示すように、二つのＧＭＲセンサ９は、それぞれ二つのＧＭＲ素子９ａと二つの抵抗素子９ｂとでブリッジ回路を形成してなる。

図６に第一の実施形態であるＧＭＲ素子の断面略図を示す。ＧＭＲ素子９ａは、図６に示すように、磁化方向が固定される固定磁性層９ｆと、外部磁界を受けて磁化方向が変動する自由磁性層９ｈと、固定磁性層９ｆと自由磁性層９ｈとの間に位置する非磁性導電層９ｇを含むように形成され、自由磁性層９ｈに凹部が設けられて永久磁石層９ｉが形成されている。また、図示していないが、自由磁性層９ｈの長さ方向（図６のＹ方向）の両端部にも永久磁石層９ｉが形成されている。そして、外部磁界がゼロの際に永久磁石層９ｉによって自由磁性層９ｈの磁化方向は自由磁性層９ｈの長さ方向（図６のＹ方向）に向けられている。また、固定磁性層９ｆの固定磁化方向は自由磁性層９ｈの長さ方向に直交する素子幅方向（図６のＸ方向）に向けられている。

また、ＧＭＲ素子９ａは、固定磁性層９ｆ、非磁性導電層９ｇ及び自由磁性層９ｈを有する素子部と永久磁石層９ｉとで素子連設体に構成される。そして、図７に示すように、複数の素子連設体が素子幅方向（図７のＸ方向）に間隔を空けて並設され、隣接する素子連設体の素子長さ方向（図７のＹ方向）の端部同士が接続されてミアンダ状を成している。また、永久磁石層９ｉが、素子連設体の長さ方向（図７のＹ方向）の途中位置と両端部とに設けられている。そして、感度軸方向９ｄは素子幅方向（図７のＸ方向）に向けられている。永久磁石層の磁化方向９ｋは素子長さ方向（図７のＹ方向）に着磁されており、外部磁界がゼロの際には永久磁石層９ｉの磁界によって自由磁性層９ｈの磁化方向も素子長さ方向（図７のＹ方向）に向いている。

図７では、ＧＭＲ素子９ａの素子連設体は３本であり、１本の素子連設体に設けられた永久磁石層９ｉの数は４個であるが、これに限定されるものではなく、前記の数は任意に設けることができる。また、パターン形状も目的に応じて任意に設けることが可能である。

そして、二つのＧＭＲセンサ９は、図３に示すように、感度軸方向９ｄがトーションバー４の長手方向に平行にして第二の磁気発生部５ｂから第一の磁気発生部５ａに向けられるように配置されている。よって、この方向が二つのＧＭＲセンサ９の感度軸方向９ｄであり、二つのＧＭＲセンサ９は、外部磁界が感度軸方向９ｄへ余弦された値に比例する信号を出力する。

入力軸２に作用する操舵力と出力軸３に作用する反発力とにより生じるトルクに応じてトーションバー４が捩れると、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとが捩れた状態で回転する。この捩れた状態での回転によって、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとの対向する磁極が捩れた状態で回転するので、この磁極間の磁界の方向も回転する。よって、二つのＧＭＲセンサ９の出力は、この回転する磁極間の磁界の感度軸方向９ｄへの余弦された値に比例する信号で表わされる。

この際、二つのＧＭＲセンサ９は、磁極長の略半分８に等しい線上の距離８ａを隔てて配置されている。この磁極長の略半分８は、磁石部材７の磁極配列周期の１／４周期に相当するので、二つのＧＭＲセンサ９から出力される二つの信号は、互いに位相が１／４周期（９０°）ずれている。よって、一方のＧＭＲセンサ９の出力を、回転する磁極間の磁界の感度軸方向への余弦された値に比例する信号、即ち、余弦波信号で表わす際は、三角関数の関係から、他方のＧＭＲセンサ９の出力は、回転する磁極間の磁界の感度軸方向９ｄへの正弦された値に比例する、即ち、正弦波信号で表わせる。

トルクに応じてトーションバー４が捩れると、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとが捩れた状態で回転する。この捩れによって、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとの対向するＮ極とＳ極とが斜めにずれるので、このＮ極とＳ極との間の磁界の方向も斜めになる。よって、トルクに応じて斜めになった磁界が、二つのＧＭＲセンサ９の回りを回転するので、二つのＧＭＲセンサ９の出力は、斜めになった磁界の感度軸方向９ｄへの余弦値に応じた、即ち、トルクに応じた振幅を持つ余弦波信号または正弦波信号で表わせる。

本実施形態では、同じ形状をした第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとを、異なる極を対向させて同軸に配置している。そのため、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとの間の磁界は、前記同軸に対称的に分布し、図８ｂに示すように、トルクが無い際には、対向する磁極間の中央部近傍に感度軸方向９ｄに平行な直線状の磁力線がほぼ均一に分布している領域を持ち、強く且つ安定的に形成される。また、トルクによって第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとが捩れた状態で回転すると、磁力線は斜めに傾斜しトルクに応じて安定的に連続的な変化をする。

本実施形態では、安定的に連続的な変化をする磁界によってトルクを検出するので、高精度なトルク検出が可能となる。

複数の磁石を同心的に配列し、前記磁石に対抗して磁気検知部を配置する。そして、回転により前記磁気検知部を通過した磁石の数から回転角度を求める方法が、一般的に用いられている。この方法で計測した回転角度からトルクを検出すると、磁石の大きさによって検出精度が制限される。ところが、本実施形態では、連続的に変化する磁界からトルクを検出するので、検出精度に優れる。

また、直線状の磁力線がほぼ均一に分布している領域にＧＭＲセンサ９を設置すれば、設置精度が軽減されると共にトルク検出感度ばらつきを小さく抑えることができる。よって、製造及び検査の負荷が軽減され低価格となると共に品質も向上する。また、この直線状の磁力線の方向に感度軸方向を一致させると、強い磁界の変化を検知することができるので、高感度なトルク検出が可能となる。

ところが、特許文献１及び特許文献２においては、同一の磁石のＮ極からＳ極に向かう磁力線の分布中に磁気検知部１０７、１０８、２０７、２０８を設置して磁界を検知している。この磁力線は、図８ａに示すように円弧状の形状をしており、磁気検知部１０７、１０８、２０７、２０８を設置する位置により磁界の強さ及び方向が変化し易い。よって、磁気検知部１０７、１０８、２０７、２０８の設置精度が厳しいと共にトルク検出感度ばらつきが大きかった。よって、コストが高いと共に品質も良くなかった。

本実施形態において、トーションバー４が大きく捩れて、磁極の配置の一周期を超えて捩れた状態で回転すると、一周期前の捩れた状態と磁極の状態が同じになるため、磁極間の距離は元に戻ったと誤認する。これにより正確なトルク検出ができなくなる。よって、想定される最大トルクに対してトーションバー４の捩れが磁極の配列の一周期を超えないように、磁極長、トーションバー４の長さ、径及び弾性率等を設定している。

二つのＧＭＲセンサ９は、パッケージに実装されて筐体１２に固定されている。図４に示すように、二つのＧＭＲセンサ９は、それぞれ二つのＧＭＲ素子９ａと二つの抵抗素子９ｂとでブリッジ回路を形成してなる。また、前記ブリッジ回路は、半導体プロセス技術によって、同時に同一の基板上に多数に形成される。よって、ブリッジ回路を構成する二つのＧＭＲ素子９ａは、同じ仕様で隣接して形成されるので、ほぼ同じ特性を示す。このことは、抵抗素子９ｂにおいても同じである。よって、二つのＧＭＲセンサ９は、（１）式に示すように、それぞれにトルクによって生じる捩れに応じてほぼ同じ振幅（Ａ）で振動する余弦波信号と正弦波信号とを出力する。この二つの信号は、それぞれ二乗アンプ２１で二乗されて、加算アンプ２２で加算される。正弦波信号の二乗と余弦波信号の二乗との和は１である。よって、加算アンプ２２からは、トルクに応じる振幅（Ａ）の二乗の値が出力される。ただし、θは回転角度である。

よって、あらかじめトルクの値とトルクに応じる振幅の二乗の値の関係を求めて置けば、トルク検出装置１は、この関係を使ってトーションバー４に生じるトルクを検出することが可能となる。この際に、所定のトルクを加えて、二つの二乗アンプ２１の出力の振幅がそれぞれ所定の値になるように補正することも可能である。このような補正をすることで、トルク検出装置１の検出精度を向上させることができる。

特許文献１では、第一の信号発生部材１０５と第二の信号発生部材１０６とのそれぞれの回転角度を、第一の信号検出部材１０７と第二の信号検出部材１０８とで計測し、それぞれの回転角度の差から相対的な回転角度を算出し、この相対的な回転角度に応じてトルクを検出している。

特許文献２では、入力軸２０２の外周面に偏心して取り付けられた第一の被検知板２０５と出力軸２０３の外周面に偏心して取り付けられた第二の被検知板２０６を、それぞれに対向して配置された第一の磁気センサ２０７と第二の磁気センサ２０８との出力差によって、入力軸２０２と出力軸２０３との回転位相差が求められ、この回転位相差からトルクが検出される。

特許文献１においては、二つの磁気発生部１０５、１０６のそれぞれに対向して磁気検知部１０７、１０８を別々に設置する。そして、二つの磁気検知部１０７、１０８が計測した回転角度の差からトルクを検出している。特許文献２においても、二つの磁気発生部２０５、２０６のそれぞれに対向して磁気検知部２０７、２０８を別々に設置する。そして、二つの磁気検知部２０７、２０８からの出力差からトルクを検出している。

そのため、磁気発生部と磁気検知部の組み合わせを二つ設置することが必要であり、この二つの設置に伴う二つの誤差がトルクの検出値に生じることになる。また、磁気検知部を設置する位置の磁力線は円弧状の形状をしており、この二つの設置に伴う二つの誤差の値は大きい。

ところが、本実施形態では、二つのＧＭＲセンサ９が磁極長の略半分８の間隔を隔てて実装されたパッケージを、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとの間の中央部近傍に設置する。この中央部近傍の磁力線は、直線状でほぼ均一に分布している。そのため、このパッケージ設置に伴う誤差は非常に小さい。よって、二つのＧＭＲセンサ９を磁極長の略半分８の間隔に隔ててパッケージに実装する誤差のみが、有効な誤差として残る。

このように、磁気発生部に対して磁気検知部を設置することに伴う誤差は、特許文献１及び特許文献２に開示されたトルク検出装置１０１、２０１に比べて、本実施形態のトルク検出装置１は小さい。よって、本実施形態によれば、高精度にトルクを検出することが可能である。

特許文献１に開示される、二つの磁気検知部１０７、１０８が計測した回転角度の差からトルクを検出する方式では、一般的にｔａｎ^-1θの計算が行われる。例えば、（２）式によって回転角度の差（θ）を計算することが必要である。ここで、ｓｉｎθとｃｏｓθとは、トルク検出装置の検出信号である。よって、回転角度を計算することなくトルクを検出する本実施形態に比べて、特許文献１に開示される方式は複雑な電子回路が必要となる。

特許文献２に開示される回転位相差からトルクを検出する方式では、操舵角度（軸の回転角度）がある程度に大きくなければ、出力である回転位相差を検出することができない。よって、検出できるトルクの大きさが制限される。

特許文献１に開示されるトルク検出装置１０１は、図１０に示すように、トーションバーとしての外軸１０２と、外軸１０２に同心的に配置される内軸１０３とから構成される二重構造のために、その構造が複雑であるためにコストが高かった。また、特許文献２に開示されるトルク検出装置２０１は、図１１に示すように、トーションバー２０４が入力軸２０２及び出力軸２０３の内部に挿入された二重構造、且つ第一の被検知板２０５と第二の被検知板２０６とが、それぞれ入力軸２０２または出力軸２０３に偏心して取り付けられる複雑な構造であるためにコストが高かった。

ところが、本実施形態は、図１、図３に示すように、入力軸２、第一の磁気発生部５ａ、トーションバー４、第二の磁気発生部５ｂ、出力軸３及び二つのＧＭＲセンサ９が軸方向（図１のＸ方向）に配置されている単純な構造であるので、特許文献１及び特許文献２に比べて価格を低く抑えることができる。

特許文献１及び特許文献２に開示されるトルク検出装置１０１、２０１では、それぞれ内軸１０３と外軸１０２との回転角度を計測し、または入力軸２０２と出力軸２０３との回転位相差が計測され、それぞれにトルクを検出している。

このような検出方法では、回転角度の最大値が３６０゜であることから、トルク検出装置１０１、２０１の検知部分の構造やトルクを算出する演算方法等を、最大値の回転角度である３６０゜まで設定することが必要である。

ところが、トーションバー４に生じるトルクによる回転角度は、５゜程度であり、大きくても１０゜以下である。このような小さな回転角度を３６０゜の広いレンジで検出するために、特許文献１及び特許文献２に開示されるトルク検出装置１０１、２０１は、検出精度が劣っていた。

ところが、本実施形態では、想定される最大トルクによってトーションバー４の捩れが磁極の配列の一周期を超えないように設定している。そして、本実施形態では、図２に示すように、磁気発生部５を八個の磁石部材７で構成しているので、一周期は９０゜である。よって、トーションバー４に生じるトルクによる５゜程度の回転角度を、９０゜である適切なレンジで検出している。よって、本実施形態によれば、トルクを高精度に検出することができる。

また、本実施形態では、回転角度によらずにトルクを検出する。よって、検出するトルクの大きさに応じて、磁気発生部５の磁極長を適切に設定し、自由に測定のレンジを設定することが可能である。よって、どのようなトルクの大きさに対しても適切に対応して、トルクを高精度に検出することが可能である。

本実施形態では、磁気検知部６を二つのＧＭＲセンサ９を用いて構成したが、これに限定されるものではない。ホール素子、ＭＩ素子（マグネトインピーダンス素子）、ＡＭＲ素子（異方性磁気抵抗効果素子）等からなるセンサによっても構成可能である。

<第二の実施形態>
図７に第二の実施形態である感度軸に直交する磁界を遮蔽する構造を有するＧＭＲセンサの平面略図を示す。図７に示すように、本実施形態であるＧＭＲセンサは、複数の帯状の長尺パターン（ストライプ）が折り返してなるミアンダ形状の平面構造を有する、二つのＧＭＲ素子９ａ及び二つの抵抗素子９ｂによってブリッジ回路を形成してなる。そして、感度軸方向９ｄがＧＭＲ素子９ａの長さ方向に直交する素子部幅方向（図７のＸ方向）に向けられている。

ＧＭＲ素子９ａの長さ方向（図７のＹ方向）の両側に、非接触に長さ方向（図７のＹ方向）に帯状の長尺パターンである遮蔽膜９ｃが設けられている。この遮蔽膜９ｃは、軟磁性膜からなり、長さ方向（図７のＹ方向）の磁界成分を遮蔽する効果を発揮する。よって、長さ方向に直交する方向（図７のＸ方向）の磁界成分、即ち感度軸方向９ｄに平行な磁界成分のみが、ＧＭＲ素子９ａが占める領域に進入することができる。また、遮蔽膜９ｃは、感度軸方向９ｄに平行な磁界成分を増幅する効果を発揮するので、トルクを検出する感度も向上する。

第一の実施形態と第二の実施形態との違いは、この遮蔽膜９ｃの有無のみであり、その他は基本的に同じである。

本実施形態では、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとの対抗する磁極のほぼ中央に二つのＧＭＲセンサ９を設置して、この位置での磁界の変化を検知してトルクを検出する。この位置の近傍には、図８ｂに示すように、トルクの無い際に磁力線（磁界）が感度軸方向９ｄに対し平行に直線状に分布し、トルクが生じると磁力線（磁界）は感度軸方向９ｄに対して傾斜を始め変化する。また、第一の磁気発生部５ａや第二の磁気発生部５ｂの近傍には、図８ａに示すような感度軸方向９ｄに略直交する磁力線（磁界）がある。この磁力線（磁界）は、トルクが生じると感度軸方向９ｄに略直交するままに、その方向が変化する。この磁力線（磁界）はトルク検出には用いられなくノイズ成分として働くが、遮蔽膜９ｃによって遮蔽される。

また、遮蔽膜９ｃは周辺部品等からの漏洩磁場も遮断するので、これらに起因するノイズ成分も低減される。

よって、本実施形態によれば、ノイズ成分の磁界を遮蔽し、感度軸方向９ｄの磁界成分を増幅するので、Ｓ／Ｎ比が良好な出力を得ることができる。

また、第一の磁気発生部５ａや第二の磁気発生部５ｂの近傍の感度軸方向９ｄに略直交する磁界が遮蔽されているので、第一の磁気発生部５ａと第二の磁気発生部５ｂとの間隔を短くしても、Ｓ／Ｎ比が劣化することが低減される。よって、本実施形態によれば、この方向（図１のＸ方向）の小型化に優れる。

遮蔽膜９ｃを構成する軟磁性膜は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＺｒＮｂ等で形成することができる。

<第三の実施形態>
図９に第三の実施形態であるトルク検出装置の断面略図を示す。第三の実施形態では、図９に示すように、磁気発生部５が、入力軸２と出力軸３との対向する外周面端部のそれぞれに同心状に配列される複数の磁石部材７からなる。そして、二つの磁気発生部５の間に生じる磁界内に磁気検知部６が設置される。このように、入力軸２、磁気発生部５（５ａ）、トーションバー４、磁気検知部６、磁気発生部５（５ｂ）及び出力軸３が、直列、即ち同軸状に配置されるので、トーションバー４の長手方向（図９のＸ方向）に直交する方向の径を小さくできる。

また、入力軸２と出力軸３と対向する面のそれぞれに磁気発生部５を設ける第一の実施形態に対して、第二の実施形態は、入力軸２と出力軸３との対向する外周面端部に磁気発生部５を設けるので、相対的にトーションバー４を短くできる。よって、第一の実施形態に比べ、トーションバー４の長手方向（図９のＸ方向）の寸法を小さくできる。

第一の実施形態と第三の実施形態の違いは、磁気発生部５が設置された位置のみであり、その他は基本的に同じである。

１、１０１、２０１ トルク検出装置
２、２０２ 入力軸
３、２０３ 出力軸
４、２０４ トーションバー
５ 磁気発生部
５ａ 第一の磁気発生部
５ｂ 第二の磁気発生部
６ 磁気検知部
７ 磁石部材
８ 磁極長の略半分
８ａ 線上の距離
９ ＧＭＲセンサ
９ａ ＧＭＲ素子
９ｂ 抵抗素子
９ｃ 遮蔽膜
９ｄ 感度軸方向
９ｅ 磁界の方向
９ｆ 固定磁性層
９ｇ 非磁性導電層
９ｈ 自由磁性層
９ｉ 永久磁石層
９ｋ 永久磁石層の磁化方向
１０ ベアリング
１１ ネジ
１２ 筐体
１３ ステアリングホイール
１４ ステアリングシャフト
１５ 減速ギア
１６ 電動モータ
１７ 制御器
１８ ピニオンギア
１９ ラックギア
２０ 車輪
２１ 二乗アンプ
２２ 加算アンプ
５１ 第一の円周
５２ 第二の円周
１０２ 外軸
１０３ 内軸
１０５ 第一の信号発生部材（磁気発生部）
１０６ 第二の信号発生部材（磁気発生部）
１０７ 第一の信号検出部材（磁気検知部）
１０８ 第二の信号検出部材（磁気検知部）
１０９ 第一接続部分
１１０ 第二接続部分
１１１ カイドロッド
２０５ 第一の被検知板（磁気発生部）
２０６ 第二の被検知板（磁気発生部）
２０７ 第一の磁気センサ（磁気検知部）
２０８ 第二の磁気センサ（磁気検知部）

Claims (11)

1. 力が作用する入力軸と、
   弾性変形するトーションバーと
   前記トーションバーを介して前記入力軸に連結される出力軸と、
   を有し、
   前記入力軸と前記トーションバーと前記出力軸とは一体的に回転可能に設けられ、
   前記入力軸と前記出力軸との対向する端部のそれぞれに磁気発生部が設置され、
   二つの前記磁気発生部の間に生じる磁界内に磁気検知部が設置され、
   前記磁界の変化を前記磁気検知部が検知することで、前記トーションバーに生じるトルクを検出することを特徴とするトルク検出装置。
2. 前記入力軸、前記トーションバー及び前記出力軸が、同軸に配置されることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
3. 二つの前記磁気発生部が前記入力軸と前記出力軸との対向する端部の前記同軸に直交する面のそれぞれに同心状に配列される複数の磁石部材からなることを特徴とする請求項２に記載のトルク検出装置。
4. 二つの前記磁気発生部が前記入力軸と前記出力軸との対向する外周面端部のそれぞれに同心状に配列される複数の磁石部材からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトルク検出装置。
5. 二つの前記複数の磁石部材が同数であり、且つ二つの前記複数の磁石部材の全てが略同形状であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のトルク検出装置。
6. 前記磁気検知部が二つの磁気センサからなり、前記二つの磁気センサが前記磁石部材の磁極長の略半分である間隔に配置されることを特徴とする請求項５に記載のトルク検出装置。
7. 前記磁気センサが複数のＧＭＲ素子からなることを特徴とする請求項６に記載のトルク検出装置。
8. トルクがゼロの際に、対向する二つの前記磁気発生部が互いにＮ磁極とＳ磁極とを対向するように配置され、対向する前記Ｎ磁極と前記Ｓ磁極とが形成する磁界の方向が、前記複数のＧＭＲ素子の位置で前記複数のＧＭＲ素子の感度軸と同じ方向になるように、前記複数のＧＭＲ素子の感度軸が設定されていることを特徴とする請求項７に記載のトルク検出装置
9. 前記複数のＧＭＲ素子が、磁化方向が固定される固定磁性層と、外部磁界によって磁化方向が変動する自由磁性層と、前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に位置する非磁性導電層とを有し、前記固定磁性層の固定磁化方向が感度軸方向である素子部を備え、前記素子部には、前記素子部の素子幅方向に直交する素子長さ方向の途中位置及び両端部に、膜厚方向に向けて凹部が形成され、この凹部内に永久磁石層が設けられ、前記素子部と前記永久磁石層とで素子連設体が構成され、前記感度軸方向が前記素子幅方向であり、外部磁界がゼロの際に前記永久磁石層によって前記自由磁性層の磁化方向が前記素子長さ方向に向けられ、前記複数の前記素子連設体が前記素子幅方向に間隔を空けて並設され、隣接する前記素子連設体の前記素子長さ方向の端部同士が接続されてミアンダ状を成していることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のトルク検出装置。
10. 前記複数のＧＭＲ素子が、前記感度軸方向に直交する磁界を遮蔽する構造を有することを特徴とする請求項９に記載のトルク検出装置。
11. 二つの前記磁気センサと、
    前記磁気センサの出力を二乗する二つの二乗アンプと、
    二つの前記二乗アンプの出力を加算する加算アンプと、
    を有し、
    二つの前記磁気発生部の間に生じる磁界内に設置される二つの前記磁気センサがそれぞれに二つの前記ＧＭＲ素子と二つの抵抗素子とでブリッジ回路を形成してなり、前記トーションバーにトルクが生じると前記磁界が変化し、この前記磁界の変化による二つの前記磁気センサの出力がそれぞれに各前記二乗アンプによって二乗され、二つの前記二乗アンプの出力が前記加算アンプにより加算された値によって、前記トーションバーに生じるトルクを検出することを特徴とする請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載のトルク検出装置。