JP5412194B2 - 相対角度検出装置及びパワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、相対角度検出装置及びパワーステアリング装置に関する。

近年、ステアリング回転補助を行なうために、ステアリングに加わる回転トルクを、磁気センサを用いて検出する相対角度検出装置（トルクセンサ）が提案されている。
例えば、特許文献１には、以下のように構成されたトルクセンサが記載されている。すなわち、特許文献１に記載のトルクセンサは、入力軸と出力軸とを同軸上に連結するトーションバー、入力軸の端部に取り付けられるリング状の磁石、出力軸の端部に取り付けられる一組の磁気ヨーク、及び磁気ヨークに生じる磁束密度を検出する磁気センサ等より構成される。磁気ヨークは、磁石のＮ極及びＳ極と同数（１２個）の爪が全周に等間隔に設けられている。この磁気ヨークと磁石は、トーションバーに捩れが生じていない状態で、磁気ヨークに設けられた爪の中心と磁石のＮ極とＳ極との境界とが一致するように配置されている。磁気センサは、軸方向に対向する磁気ヨークと磁気ヨークとの間に設けられるギャップ内に挿入されて磁束密度を検出する。

特開２００３−１４９０６２号公報

磁気センサを用いて検出する相対角度検出装置の近くに、例えば車載スピーカ等の磁性を示す部材が存在すると、その部材から生じる磁界の影響により検出誤差を生じる可能性がある。
これに対して、磁気ヨーク間の磁束密度を検出する磁気センサが配置されている位置とは異なる位置、例えばこの磁気センサよりも回転半径方向の外側の位置に第２の磁気センサを配置し、この第２の磁気センサの出力値に基づいて磁気ヨーク間に配置された磁気センサの検出値を補正することも考えられる。しかしながら、かかる手法においては、これら２つの磁気センサが置かれた磁気的環境が異なるため、両磁気センサに生じる外部磁界による磁気ノイズのレベルが異なり、磁気ノイズの影響を低減することは難しい。
本発明は、磁気ノイズの影響を低減し、精度高く２つの回転軸の相対角度を検出することができる装置を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明は、第１の回転軸と第２の回転軸との相対角度を検出する相対角度検出装置であって、前記第１の回転軸に設けられ、当該第１の回転軸の周方向に着磁された磁石と、前記第２の回転軸に設けられ、前記磁石の外周面に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第１の集束部を有する第１の集束部材と、前記第２の回転軸に設けられ、前記磁石の外周面に対向するとともに前記第１の集束部材の前記第１の集束部が対向する前記磁石の極性と同じ極性の磁極に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第２の集束部を有する第２の集束部材と、前記第２の回転軸の軸方向に前記第１の集束部材と前記第２の集束部材との間に設けられ、前記第１の集束部材の前記第１の集束部が対向する前記磁石の極性とは異なる極性の磁極に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第３の集束部を有する第３の集束部材と、前記第１の集束部材と前記第３の集束部材との間の磁束密度を検出する第１の磁束密度検出手段と、前記第２の集束部材と前記第３の集束部材との間の磁束密度を検出する第２の磁束密度検出手段と、前記第１の磁束密度検出手段および前記第２の磁束密度検出手段が検出した磁束密度に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対角度を検出する相対角度検出手段と、を備えることを特徴とする相対角度検出装置である。

ここで、前記第１の磁束密度検出手段および前記第２の磁束密度検出手段に前記磁石が形成する磁界とは異なる外部磁界が前記第１の回転軸の軸方向に生じている場合には、当該第１の磁束密度検出手段および当該第２の磁束密度検出手段が検出する磁束密度は符号が同じとなることが好適である。
また、前記磁石は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置された円筒状の磁石であり、前記第１の集束部材は前記磁石の周方向に配置されたＮ極およびＳ極と同数の前記第１の集束部を有し、前記第２の集束部材は当該磁石の周方向に配置されたＮ極およびＳ極と同数の前記第２の集束部を有し、前記第３の集束部材は当該磁石の周方向に配置されたＮ極およびＳ極と同数の前記第３の集束部を有し、当該第１の集束部と当該第３の集束部は周方向に交互に配置されており、当該第２の集束部と当該第３の集束部は周方向に交互に配置されていることが好適である。

また、前記第１の集束部材は、前記第１の集束部よりも前記第１の回転軸の回転半径方向に延出する第１の延出部を有し、前記第２の集束部材は、前記第２の集束部よりも前記第１の回転軸の回転半径方向に延出する第２の延出部を有し、前記第３の集束部材は、前記第３の集束部よりも前記第１の回転軸の回転半径方向に延出する第３の延出部を有し、前記第１の磁束密度検出手段は、前記第１の集束部材の前記第１の延出部と前記第３の集束部材の前記第３の延出部との間の磁束密度を検出し、前記第２の磁束密度検出手段は、前記第２の集束部材の前記第２の延出部と前記第３の集束部材の前記第３の延出部との間の磁束密度を検出することが好適である。
そして、前記第３の集束部材の前記第３の集束部は、前記第１の集束部材側に延びる第１側集束部と、前記第２の集束部材側に延びる第２側集束部とを有することが好適である。

また、他の観点から捉えると、本発明は、ステアリングホイールに連結される第１の回転軸と、トーションバーを介して前記第１の回転軸と連結される第２の回転軸と、前記第１の回転軸に設けられ、当該第１の回転軸の周方向に着磁された磁石と、前記第２の回転軸に設けられ、前記磁石の外周面に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第１の集束部を有する第１の集束部材と、前記第２の回転軸に設けられ、前記磁石の外周面に対向するとともに前記第１の集束部材の前記第１の集束部が対向する前記磁石の極性と同じ極性の磁極に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第２の集束部を有する第２の集束部材と、前記第２の回転軸の軸方向に前記第１の集束部材と前記第２の集束部材との間に設けられ、前記第１の集束部材の前記第１の集束部が対向する前記磁石の極性とは異なる極性の磁極に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第３の集束部を有する第３の集束部材と、前記第１の集束部材と前記第３の集束部材との間の磁束密度を検出する第１の磁束密度検出手段と、前記第２の集束部材と前記第３の集束部材との間の磁束密度を検出する第２の磁束密度検出手段と、前記第１の磁束密度検出手段および前記第２の磁束密度検出手段が検出した磁束密度に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対角度を検出する相対角度検出手段と、を備えることを特徴とするパワーステアリング装置である。

本発明によれば、本発明を採用しない場合に比べて、磁気ノイズの影響を低減させることができ、２つの回転軸の相対角度をより精度高く検出することができる。

実施の形態に係る相対角度検出装置を適用した電動パワーステアリング装置の断面図である。 図１におけるＸ部の拡大図である。 実施の形態に係る相対角度検出装置の主要部品の概略構成図である。 相対角度検出装置を、図１におけるＹ方向から見た図である。 第１の回転軸と第２の回転軸とが相対変位する前の相対角度検出装置の状態を示す図である。 図４で見た場合に、磁石（第１の回転軸）がヨーク（第２の回転軸）に対して反時計回転方向に回転した状態を示す図である。 図４で見た場合に、磁石がヨークに対して時計回転方向に回転した状態を示す図である。 磁石（第１の回転軸）とヨーク（第２の回転軸）との相対角度と第１の磁気センサおよび第２の磁気センサが検出する磁束密度との関係を示す図である。 出力電圧Ｖ１、出力電圧Ｖ２および減算値Ｖｄと、両回転軸の相対角度との相関関係を示す図である。 他の実施の形態に係る相対角度検出装置の主要部品の概略構成図である。 他の態様のヨークを備えた相対角度検出装置の概略構成図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、実施の形態に係る相対角度検出装置１を適用した電動パワーステアリング装置１００の断面図である。図２は、図１におけるＸ部の拡大図である。図３は、実施の形態に係る相対角度検出装置１の主要部品の概略構成図である。図４は、相対角度検出装置１を、図１におけるＹ方向から見た図である。なお、図３においては、ブラケット６０は省略している。
相対角度検出装置（以下、単に「検出装置」という。）１は、ハウジング１１０に回転可能に支持された第１の回転軸１２０と、同じくハウジング１１０に回転可能に支持された第２の回転軸１３０との相対角度を検出する装置である。

ハウジング１１０は、例えば自動車などの乗り物の本体フレーム（以下、「車体」と称する場合もある。）に固定される部材であり、第１ハウジング１１１と第２ハウジング１１２とが、例えばボルトなどにより結合されて構成される。
第１の回転軸１２０は、例えばステアリングホイールが連結される回転軸であり、軸受１１３を介して第１ハウジング１１１に回転可能に支持されている。

第２の回転軸１３０は、トーションバー１４０を介して第１の回転軸１２０に同軸的に結合されているとともに軸受１１４を介して第２ハウジング１１２に回転可能に支持されている。また、第２の回転軸１３０に形成されたピニオン１３１が、車輪に連結されるラック軸（不図示）のラック（不図示）と噛み合っている。そして、第２の回転軸１３０の回転運動がピニオン１３１、ラックを介してラック軸の直線運動に変換され、車輪が操舵される。
また、第２の回転軸１３０には、例えば圧入などによりウォームホイール１５０が固定されている。このウォームホイール１５０は、第２ハウジング１１２に固定された電動モータ１６０の出力軸に連結されたウォームギヤ１６１と噛み合っている。

以上のように構成された電動パワーステアリング装置１００は、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を検出装置１にて検出し、検出した相対角度に基づいてステアリングホイールに加えられた操舵トルクを認識する。そして、認識した操舵トルクに基づいて電動モータ１６０を駆動し、電動モータ１６０の発生トルクをウォームギヤ１６１、ウォームホイール１５０を介して第２の回転軸１３０に伝達する。これにより、電動モータ１６０の発生トルクが、ステアリングホイールに加える運転者の操舵力をアシストする。

以下に、検出装置１について詳述する。
検出装置１は、第１の回転軸１２０に取り付けられる磁石１０と、磁石１０が形成する磁界内に配置されたヨーク３０と、ヨーク３０に生じる磁束密度を検出する磁気センサ４０と、磁気センサ４０からの出力値に基づいて第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を検出する相対角度検出部５０とを有している。

磁石１０は、円筒状であり、図３に示すように、第１の回転軸１２０の周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されるとともに周方向に着磁されている。この磁石１０は、カラー１１を介して第１の回転軸１２０に取り付けられている。つまり、磁石１０がカラー１１に固定されており、カラー１１が第１の回転軸１２０に固定されている。そして、磁石１０は第１の回転軸１２０とともに回転する。なお、磁石１０の第１の回転軸１２０の軸方向の長さは、ヨーク３０の長さよりも長い。

ヨーク３０は、第１の集束部材の一例としての第１のヨーク３１と、第２の集束部材の一例としての第２のヨーク３２と、第１の回転軸１２０の軸方向に第１のヨーク３１と第２のヨーク３２との間に設けられた、第３の集束部材の一例としての第３のヨーク３３とから構成されている。これら第１のヨーク３１、第２のヨーク３２および第３のヨーク３３は、第２の回転軸１３０に取り付けられる。

第１のヨーク３１は、磁石１０の外径よりも大きな径の孔が内側に形成された円板状の第１の円環部３１ａと、この第１の円環部３１ａから第１の回転軸１２０の軸方向に延びるように形成された複数の第１の突起部３１ｂとを有している。
第１の突起部３１ｂは、磁石１０のＮ極およびＳ極と同数形成されている。つまり、磁石１０のＮ極およびＳ極がそれぞれ例えば１２個である場合には、第１の突起部３１ｂも１２個形成されている。そして、この第１の突起部３１ｂは、第１の回転軸１２０の回転半径方向においては、図２，図４に示すように、磁石１０の外周面と対向するようにこの外周面よりもやや外側に配置されており、その第１の突起部３１ｂの磁石１０と対向する面は、第１の回転軸１２０の回転軸に直交する方向に見ると長方形である。
そして、第１の突起部３１ｂは、磁石１０により形成される磁力線を集束する第１の集束部の一例として機能し、第１の円環部３１ａは、第１の突起部３１ｂよりも第１の回転軸１２０の回転半径方向に延出する第１の延出部の一例として機能する。

第２のヨーク３２は、磁石１０の外径よりも大きな径の孔が内側に形成された円板状の第２の円環部３２ａと、この第２の円環部３２ａから第１の回転軸１２０の軸方向に延びるように形成された複数の第２の突起部３２ｂとを有している。
第２の突起部３２ｂは、磁石１０のＮ極およびＳ極と同数形成されている。そして、この第２の突起部３２ｂは、第１の回転軸１２０の回転半径方向においては、図２，図４に示すように、磁石１０の外周面と対向するようにこの外周面よりもやや外側に配置されており、その第２の突起部３２ｂの磁石１０と対向する面は、第１の回転軸１２０の回転軸に直交する方向に見ると長方形である。
そして、第２の突起部３２ｂは、磁石１０により形成される磁力線を集束する第２の集束部の一例として機能し、第２の円環部３２ａは、第２の突起部３２ｂよりも第１の回転軸１２０の回転半径方向に延出する第２の延出部の一例として機能する。

第３のヨーク３３は、磁石１０の外径よりも大きな径の孔が内側に形成された円板状の第３の円環部３３ａと、この第３の円環部３３ａから第１の回転軸１２０の軸方向に、第１のヨーク３１側へ延びるように形成された複数の第３の突起部３３ｂと、第２のヨーク３２側へ延びるように形成された複数の第４の突起部３４ｂとを有している。

第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂは、磁石１０のＮ極およびＳ極と同数形成されている。そして、この第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂは、第１の回転軸１２０の回転半径方向においては、図２，図４に示すように、磁石１０の外周面と対向するようにこの外周面よりもやや外側に配置されており、その第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂの磁石１０と対向する面は、第１の回転軸１２０の回転軸に直交する方向に見ると長方形である。
そして、第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂは、磁石１０により形成される磁力線を集束する第３の集束部の一例として機能し、第３の円環部３３ａは、第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂよりも第１の回転軸１２０の回転半径方向に延出する第３の延出部の一例として機能する。また、第３の突起部３３ｂは、第１のヨーク３１側に延びる第１側集束部の一例として機能し、第４の突起部３４ｂは、第２のヨーク３２側に延びる第２側集束部の一例として機能する。

また、第１のヨーク３１の第１の突起部３１ｂと第３のヨーク３３の第３の突起部３３ｂとは、第１の回転軸１２０の周方向に交互に配置されている。第２のヨーク３２の第２の突起部３２ｂと第３のヨーク３３の第４の突起部３４ｂとは、第１の回転軸１２０の周方向に交互に配置されている。
なお、本実施の形態に係る第３のヨーク３３においては、第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂは、第１の回転軸１２０の軸方向に一体的に連続して形成されている。

そして、本実施の形態に係る検出装置１においては、トーションバー１４０に操舵トルクが加わっていない状態、つまりトーションバー１４０に捩れが生じていない初期状態のときに、図４に示すように、第１の回転軸１２０の周方向において、時計回転方向に見た場合に磁石１０のＮ極とＳ極との境界線と第１のヨーク３１の第１の突起部３１ｂの周方向の中心が一致するように配置されている。

第２のヨーク３２の第２の突起部３２ｂは、第１の回転軸１２０の周方向には、第１のヨーク３１の第１の突起部３１ｂと同じ位置となるように配置されている。つまり、トーションバー１４０に操舵トルクが加わっていない初期状態のときに、第１の突起部３１ｂが対向する磁石１０のＮ極とＳ極との境界線と、第２の突起部３２ｂの周方向の中心が一致するように配置されている。すなわち、図４に示すように、時計回転方向に見た場合に磁石１０のＮ極とＳ極との境界線と第２の突起部３２ｂの周方向の中心が一致するように配置されている。そして、トーションバー１４０に操舵トルクが加わってトーションバー１４０に捩れが生じ、第１の突起部３１ｂが磁石１０のＮ極あるいはＳ極と対向する場合に、第２の突起部３２ｂは、第１の突起部３１ｂが対向する極性と同じ極性の磁極に対向する。

第３のヨーク３３の第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂは、初期状態のときに、第１の回転軸１２０の周方向において、図４に示すように、時計回転方向に見た場合に磁石１０のＳ極とＮ極との境界線と第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂの周方向の中心が一致するように配置されている。そして、トーションバー１４０に操舵トルクが加わってトーションバー１４０に捩れが生じ、第１の突起部３１ｂが磁石１０のＮ極あるいはＳ極と対向する場合に、第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂは、第１の突起部３１ｂが対向する極性とは異なる極性の磁極に対向する。

また、本実施の形態に係るヨーク３０においては、図２に示すように、第１のヨーク３１、第２のヨーク３２および第３のヨーク３３は、インサートモールド成形により一体化されている。そして、インサートモールド成形する際にブラケット６０（図２参照）をも一体成形している。ブラケット６０は、第２の回転軸１３０の軸方向に延びる薄肉円筒状の軸方向部位６１と、軸方向部位６１から第２の回転軸１３０の回転半径方向に延びる円板状の半径方向部位６２とを有する。そして、ブラケット６０の軸方向部位６１が第２の回転軸１３０に圧入、溶接あるいはねじ止めされることにより、軸方向部位６１が第２の回転軸１３０に固定されている。これにより、ヨーク３０は、第２の回転軸１３０に固定される。
なお、ヨーク３０を成形する際には、第１のヨーク３１、第２のヨーク３２として同じ部品を使用し、配置方向を変えるだけにすることにより部品の種類が増えるのを抑制することが可能となる。

第１の磁気センサ４１は、ハウジング１１０に固定されており、第１の回転軸１２０の軸方向において、第１のヨーク３１の第１の円環部３１ａと第３のヨーク３３の第３の円環部３３ａとの間に配置されている。第１の磁気センサ４１は、第１のヨーク３１と第３のヨーク３３との間の磁束密度を検出し、検出した磁束密度を電気信号（例えば電圧信号）に変換して出力するセンサであり、磁気抵抗素子、ホールＩＣ、ホール素子などを例示することができる。

また、第２の磁気センサ４２は、ハウジング１１０に固定されており、第１の回転軸１２０の軸方向において、第２のヨーク３２の第２の円環部３２ａと第３のヨーク３３の第３の円環部３３ａとの間に配置されている。第２の磁気センサ４２は、第２のヨーク３２と第３のヨーク３３との間の磁束密度を検出し、検出した磁束密度を電気信号（例えば電圧信号）に変換して出力するセンサであり、磁気抵抗素子、ホールＩＣ、ホール素子などを例示することができる。
そして、第１の磁気センサ４１と第２の磁気センサ４２とは、例えば第１の回転軸１２０の軸方向に同じ向きの磁界が生じている場合には、同じ符号の磁束密度を検出するように配置されている。

相対角度検出部５０は、第１の磁気センサ４１が検出した磁束密度Ｂ１から第２の磁気センサ４２が検出した磁束密度Ｂ２を減算する減算部５１と、減算部５１が減算することにより得た磁束密度Ｂｆｉｎ（＝Ｂ１−Ｂ２）から第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を導き出す導出部５２とを有する。例えば、第１の磁気センサ４１および第２の磁気センサ４２が磁束密度を検出し、検出した磁束密度を電圧信号に変換して出力するセンサである場合には、減算部５１は、第１の磁気センサ４１の出力電圧Ｖ１から第２の磁気センサ４２の出力電圧Ｖ２を減算し、導出部５２は、出力電圧Ｖ１から出力電圧Ｖ２を減算した値と、両回転軸１２０，１３０の相対角度との相関関係を示すマップに、出力電圧Ｖ１から出力電圧Ｖ２を減算した値を代入することにより両回転軸１２０，１３０の相対角度を検出してもよい。

相対角度検出部５０は、ハウジング１１０の外側に設けられて電動パワーステアリング装置１００の電動モータ１６０を制御する制御装置（不図示）により実現されることを例示することができる。あるいは、相対角度検出部５０を、電動モータ１６０を制御する制御装置とは別のコンピュータ（不図示）により実現してもよい。かかる場合には、このコンピュータが、第１の磁気センサ４１の出力値と第２の磁気センサ４２の出力値とに基づいて両回転軸１２０，１３０の相対角度を算出し、算出した相対角度を電動モータ１６０の制御装置へ出力する。

以上のように構成された検出装置１においては、以下に示すように作用する。
図５は、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０とが相対変位する前の検出装置１の状態を示す図である。図５（ａ）は、磁石１０とヨーク３０との関係を、図１におけるＹ方向に見た図である。図５（ｂ）は、磁石１０およびヨーク３０を、（ａ）におけるＺ方向に見た図である。

トーションバー１４０に操舵トルクが加わっていない状態、つまりトーションバー１４０に捩れが生じていない初期状態のときは、図４、図５（ａ）に示すように、第１の回転軸１２０の周方向において、ヨーク３０の全ての突起部である第１の突起部３１ｂ〜第４の突起部３４ｂの周方向の中心と、磁石１０のＮ極とＳ極との境界線とが一致する。かかる場合、第１の突起部３１ｂ〜第４の突起部３４ｂの各突起部には、磁石１０のＮ極とＳ極とから同数の磁力線が出入りする。そのため、第１のヨーク３１の第１の円環部３１ａと第３のヨーク３３の第３の円環部３３ａとの間、および第２のヨーク３２の第２の円環部３２ａと第３のヨーク３３の第３の円環部３３ａとの間には磁束密度差が生じないので、第１の磁気センサ４１および第２の磁気センサ４２の出力はゼロとなる。

ステアリングホイールに操舵トルクが入力されてトーションバー１４０に捩れが生じると、磁石１０とヨーク３０との周方向の相対位置が変化する。
図６は、図４で見た場合に、磁石１０（第１の回転軸１２０）がヨーク３０（第２の回転軸１３０）に対して反時計回転方向に回転した状態を示す図である。図７は、図４で見た場合に、磁石１０がヨーク３０に対して時計回転方向に回転した状態を示す図である。それぞれの図において、（ａ）は磁石１０とヨーク３０との関係を、図１におけるＹ方向から見た図である。（ｂ）は磁石１０およびヨーク３０を、（ａ）におけるＺ方向に見た図である。
また、図８は、磁石１０（第１の回転軸１２０）とヨーク３０（第２の回転軸１３０）との相対角度と第１の磁気センサ４１および第２の磁気センサ４２が検出する磁束密度との関係を示す図である。

図６および図７に示すように、トーションバー１４０が捩れると、第１の回転軸１２０の周方向において、ヨーク３０の第１の突起部３１ｂ〜第４の突起部３４ｂの周方向の中心と、磁石１０のＮ極とＳ極との境界線とが一致しなくなる。つまり、初期状態に比べて、磁石１０のいずれかの磁極がヨーク３０の第１の突起部３１ｂ〜第４の突起部３４ｂと対向する領域が増加する。

より具体的には、図６の状態においては、第１のヨーク３１の第１の突起部３１ｂおよび第２のヨーク３２の第２の突起部３２ｂは、磁石１０のＮ極と対向する領域が増加し、第３のヨーク３３の第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂは、磁石１０のＳ極と対向する領域が増加する。そのため、磁石１０のＮ極から第１の突起部３１ｂおよび第２の突起部３２ｂに向かう磁力線が、第１の突起部３１ｂおよび第２の突起部３２ｂから磁石１０のＳ極に向かう磁力線よりも増加する。また、第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂから磁石１０のＳ極に向かう磁力線が、磁石１０のＮ極から第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂに向かう磁力線よりも増加する。これにより、第１のヨーク３１の第１の円環部３１ａから第３のヨーク３３の第３の円環部３３ａへ向かう磁束密度が増加するとともに第２のヨーク３２の第２の円環部３２ａから第３のヨーク３３の第３の円環部３３ａへ向かう磁束密度が増加する。

そして、第１のヨーク３１の第１の円環部３１ａから第３のヨーク３３の第３の円環部３３ａへ向かう方向をプラスの方向とすると、初期状態から、図４で見た場合に、磁石１０（第１の回転軸１２０）がヨーク３０（第２の回転軸１３０）に対して時計回転方向に回転するにしたがって、第１の磁気センサ４１が検出する磁束密度Ｂ１がプラスの方向へ大きくなる。他方、第２の磁気センサ４２が検出する磁束密度Ｂ２がマイナスの方向へ大きくなる。

また、図７の状態においては、第１のヨーク３１の第１の突起部３１ｂおよび第２のヨーク３２の第２の突起部３２ｂは、磁石１０のＳ極と対向する領域が増加し、第３のヨーク３３の第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂは、磁石１０のＮ極と対向する領域が増加する。そのため、第１の突起部３１ｂおよび第２の突起部３２ｂから磁石１０のＳ極に向かう磁力線が、磁石１０のＮ極から第１の突起部３１ｂおよび第２の突起部３２ｂに向かう磁力線よりも増加する。また、磁石１０のＮ極から第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂに向かう磁力線が、第３の突起部３３ｂおよび第４の突起部３４ｂから磁石１０のＳ極に向かう磁力線よりも増加する。これにより、第３のヨーク３３の第３の円環部３３ａから第１のヨーク３１の第１の円環部３１ａへ向かう磁束密度が増加するとともに第３のヨーク３３の第３の円環部３３ａから第２のヨーク３２の第２の円環部３２ａへ向かう磁束密度が増加する。それゆえ、初期状態から、図４で見た場合に、磁石１０（第１の回転軸１２０）がヨーク３０（第２の回転軸１３０）に対して反時計回転方向に回転するにしたがって、第１の磁気センサ４１が検出する磁束密度Ｂ１がマイナスの方向へ大きくなる。他方、第２の磁気センサ４２が検出する磁束密度Ｂ２がプラスの方向へ大きくなる。

図８においては、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０とを、両方向に磁極１個（α度）分相対的に回転させた場合の磁束密度の変化を示している。そして、トーションバー１４０が両方向に１／３×α度捩れることを許容する仕様にすることで、第１の磁気センサ４１および第２の磁気センサ４２は、トーションバー１４０の捩れ角に比例する磁束密度の変化を検出することができる。

そして、第１の磁気センサ４１は検出した磁束密度Ｂ１を電気信号（例えば電圧信号）として出力し、第２の磁気センサ４２は検出した磁束密度Ｂ２を電気信号（例えば電圧信号）として出力する。そして、本実施の形態に係る検出装置１においては、相対角度検出部５０の減算部５１が、第１の磁気センサ４１が検出する磁束密度Ｂ１から第２の磁気センサ４２が検出する磁束密度Ｂ２を減算することにより磁束密度Ｂｆｉｎ（＝Ｂ１−Ｂ２）を算出する。そして、導出部５２は、磁束密度Ｂｆｉｎと予め記憶されたマップとに基づいて第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を導き出す。

本実施の形態に係る検出装置１における第１の磁気センサ４１および第２の磁気センサ４２が、検出した磁束密度を電圧信号に変換して出力するセンサである場合には、相対角度検出部５０の減算部５１は、第１の磁気センサ４１の出力電圧Ｖ１から第２の磁気センサ４２の出力電圧Ｖ２を減算してもよい。かかる場合、導出部５２は、予め経験則に基づいて導き出され記憶領域（例えばＲＯＭ）に記憶された、出力電圧Ｖ１から出力電圧Ｖ２を減算した減算値Ｖｄ（＝Ｖ１−Ｖ２）と、両回転軸１２０，１３０の相対角度との相関関係を示すマップに、減算値Ｖｄを代入することにより両回転軸１２０，１３０の相対角度を検出する。なお、図９が、出力電圧Ｖ１、出力電圧Ｖ２および減算値Ｖｄと、両回転軸１２０，１３０の相対角度との相関関係を示す図である。
以上より、相対角度検出部５０は、第１の磁気センサ４１および第２の磁気センサ４２の出力値に基づいて第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を検出することが可能となる。

上述のように構成された検出装置１においては、例えば、車載スピーカ等の磁性を示す部材が近くに存在し、その部材から図２の方向の外部磁界が磁気センサ４０に対して生じたとしても、検出誤差を生じ難いため、精度高く両回転軸１２０，１３０の相対角度を検出することが可能となる。

すなわち、本実施の形態に係る検出装置１においては、２つの磁気センサ４１，４２が、入力される操舵トルクに応じて一方はプラス方向の磁束密度を検出し、他方はマイナス方向の磁束密度を検出するように、磁石１０が形成する磁界の範囲内に３つのヨークを設けるとともに２つの磁気センサを配置した。そのため、トーションバー１４０が捩れることに起因して検出することとなる２つの磁気センサ４１，４２の検出値は、符号が異なる磁束密度である。他方、磁気センサ４１，４２の外部磁界の磁束密度の検出値は同符号である。それゆえ、これら２つの磁気センサ４１，４２の検出値の差をとることにより、外部ノイズがキャンセルされ、検出誤差が生じ難くなる。

図１０は、他の実施の形態に係る相対角度検出装置１の主要部品の概略構成図である。
上述した検出装置１に対して、さらに、第１のヨーク３１〜第３のヨーク３３の各ヨークに近接する第１の集磁リング７１〜第３の集磁リング７３を備えてもよい。より具体的には、第１のヨーク３１に近接して配置され、第１のヨーク３１から磁束を誘導する第１の誘導部材の一例としての第１の集磁リング７１と、第２のヨーク３２に近接して配置され、第２のヨーク３２から磁束を誘導する第２の誘導部材の一例としての第２の集磁リング７２と、第３のヨーク３３に近接して配置され、第３のヨーク３３から磁束を誘導する第３の誘導部材の一例としての第３の集磁リング７３とを備える。そして、第１のヨーク３１の第１の円環部３１ａに第１の集磁リング７１の第１の円環部７１ａを近接して配置し、第２のヨーク３２の第２の円環部３２ａに第２の集磁リング７２の第２の円環部７２ａを近接して配置し、第３のヨーク３３の第３の円環部３３ａに第３の集磁リング７３の第３の円環部７３ａを近接して配置する。

そして、入力される操舵トルクに応じて一方はプラス方向の磁束密度を検出し、他方はマイナス方向の磁束密度を検出するように、第１の集磁リング７１に形成された第１の延出部７１ｂと第３の集磁リング７３に形成された第３の延出部７３ｂとの間に第１の磁気センサ４１を、第２の集磁リング７２に形成された第２の延出部７２ｂと第３の集磁リング７３に形成された第３の延出部７３ｂとの間に第２の磁気センサ４２を配置する。

かかる構成においても、磁気センサ４０が外部磁界の影響を受けたとしても、２つの磁気センサ４１，４２の検出値は、相反する方向への磁束密度変化となり、これら２つの磁気センサ４１，４２の検出値の差をとることにより、外部ノイズをキャンセルすることができる。それゆえ、検出装置１は、本構成を採用しない装置に比べて、検出誤差を生じ難いため、より精度高く両回転軸１２０，１３０の相対角度を検出することが可能となる。

図１１は、他の態様のヨークを備えた相対角度検出装置１の概略構成図である。上述した実施の形態においては、第３のヨーク３３が、第３の円環部３３ａから、第１のヨーク３１側へ延びるように形成された第３の突起部３３ｂと、第２のヨーク３２側へ延びるように形成された第４の突起部３４ｂとを有しているが、図１１のように構成してもよい。すなわち、第３のヨーク３３を、第３の円環部３３ａと、第３の円環部３３ａから第１のヨーク３１側へ延びるように形成された第３の突起部３３ｂとから構成する。そして、第３のヨーク３３とは別に、磁石１０の外径よりも大きな径の孔が内側に形成された円板状の第４の円環部３４ａと、この第４の円環部３４ａから第１の回転軸１２０の軸方向に、第２のヨーク３２側へ延びるように形成された複数の第４の突起部３４ｂとを有する第４のヨーク３４を備えていてもよい。

そして、第１の磁気センサ４１を、第１のヨーク３１の第１の円環部３１ａと第３のヨーク３３の第３の円環部３３ａとの間に配置し、第２の磁気センサ４２を、第２のヨーク３２の第２の円環部３２ａと第４のヨーク３４の第４の円環部３４ａとの間に配置する。かかる構成においても、検出装置１は、検出誤差を生じ難いため、本構成を採用しない装置に比べて、より精度高く両回転軸１２０，１３０の相対角度を検出することが可能となる。

１…相対角度検出装置、１０…磁石、３０…ヨーク、３１…第１のヨーク、３２…第２のヨーク、３３…第３のヨーク、４０…磁気センサ、４１…第１の磁気センサ、４２…第２の磁気センサ、５０…相対角度検出部、６０…ブラケット、１００…電動パワーステアリング装置、１１０…ハウジング、１２０…第１の回転軸、１３０…第２の回転軸、１４０…トーションバー、１５０…ウォームホイール、１６０…電動モータ

Claims (6)

1. 第１の回転軸と第２の回転軸との相対角度を検出する相対角度検出装置であって、
   前記第１の回転軸に設けられ、当該第１の回転軸の周方向に着磁された磁石と、
   前記第２の回転軸に設けられ、前記磁石の外周面に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第１の集束部を有する第１の集束部材と、
   前記第２の回転軸に設けられ、前記磁石の外周面に対向するとともに前記第１の集束部材の前記第１の集束部が対向する前記磁石の極性と同じ極性の磁極に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第２の集束部を有する第２の集束部材と、
   前記第２の回転軸の軸方向に前記第１の集束部材と前記第２の集束部材との間に設けられ、前記第１の集束部材の前記第１の集束部が対向する前記磁石の極性とは異なる極性の磁極に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第３の集束部を有する第３の集束部材と、
   前記第１の集束部材と前記第３の集束部材との間の磁束密度を検出する第１の磁束密度検出手段と、
   前記第２の集束部材と前記第３の集束部材との間の磁束密度を検出する第２の磁束密度検出手段と、
   前記第１の磁束密度検出手段および前記第２の磁束密度検出手段が検出した磁束密度に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対角度を検出する相対角度検出手段と、
   を備えることを特徴とする相対角度検出装置。
2. 前記第１の磁束密度検出手段および前記第２の磁束密度検出手段に前記磁石が形成する磁界とは異なる外部磁界が前記第１の回転軸の軸方向に生じている場合には、当該第１の磁束密度検出手段および当該第２の磁束密度検出手段が検出する磁束密度は符号が同じとなることを特徴とする請求項１に記載の相対角度検出装置。
3. 前記磁石は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置された円筒状の磁石であり、
   前記第１の集束部材は前記磁石の周方向に配置されたＮ極およびＳ極と同数の前記第１の集束部を有し、前記第２の集束部材は当該磁石の周方向に配置されたＮ極およびＳ極と同数の前記第２の集束部を有し、前記第３の集束部材は当該磁石の周方向に配置されたＮ極およびＳ極と同数の前記第３の集束部を有し、当該第１の集束部と当該第３の集束部は周方向に交互に配置されており、当該第２の集束部と当該第３の集束部は周方向に交互に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の相対角度検出装置。
4. 前記第１の集束部材は、前記第１の集束部よりも前記第１の回転軸の回転半径方向に延出する第１の延出部を有し、
   前記第２の集束部材は、前記第２の集束部よりも前記第１の回転軸の回転半径方向に延出する第２の延出部を有し、
   前記第３の集束部材は、前記第３の集束部よりも前記第１の回転軸の回転半径方向に延出する第３の延出部を有し、
   前記第１の磁束密度検出手段は、前記第１の集束部材の前記第１の延出部と前記第３の集束部材の前記第３の延出部との間の磁束密度を検出し、
   前記第２の磁束密度検出手段は、前記第２の集束部材の前記第２の延出部と前記第３の集束部材の前記第３の延出部との間の磁束密度を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の相対角度検出装置。
5. 前記第３の集束部材の前記第３の集束部は、前記第１の集束部材側に延びる第１側集束部と、前記第２の集束部材側に延びる第２側集束部とを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の相対角度検出装置。
6. ステアリングホイールに連結される第１の回転軸と、
   トーションバーを介して前記第１の回転軸と連結される第２の回転軸と、
   前記第１の回転軸に設けられ、当該第１の回転軸の周方向に着磁された磁石と、
   前記第２の回転軸に設けられ、前記磁石の外周面に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第１の集束部を有する第１の集束部材と、
   前記第２の回転軸に設けられ、前記磁石の外周面に対向するとともに前記第１の集束部材の前記第１の集束部が対向する前記磁石の極性と同じ極性の磁極に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第２の集束部を有する第２の集束部材と、
   前記第２の回転軸の軸方向に前記第１の集束部材と前記第２の集束部材との間に設けられ、前記第１の集束部材の前記第１の集束部が対向する前記磁石の極性とは異なる極性の磁極に対向して当該磁石により形成される磁力線を集束する第３の集束部を有する第３の集束部材と、
   前記第１の集束部材と前記第３の集束部材との間の磁束密度を検出する第１の磁束密度検出手段と、
   前記第２の集束部材と前記第３の集束部材との間の磁束密度を検出する第２の磁束密度検出手段と、
   前記第１の磁束密度検出手段および前記第２の磁束密度検出手段が検出した磁束密度に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対角度を検出する相対角度検出手段と、
   を備えることを特徴とするパワーステアリング装置。

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