(57)【要約】【課題】簡易かつ安価な構成で検出対象の微小な変位角度を高精度に検出することができる微小角度検出センサを提供すること。【解決手段】ステアリングシャフト２の周方向の変位に伴って回転し、Ｎ極とＳ極とが周方向に等ピッチで交互に着磁された多極磁石５と、多極磁石５から発生する磁場の向きに応じた出力信号を出力する磁気センサ６と、出力信号に基づいて検出対象の変位角度を算出する角度算出部１３と、多極磁石５の同極のピッチ間隔に相当する角度内において、磁場の向きとステアリングシャフト２の実際の実変位角度との理想的な関係を示す理想直線に対して２周期の正弦波としてあらわれる角度誤差を理想直線に一致させるように、角度算出部１３に算出される変位角度を補正する補正部１４とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象の周方向の変位に伴って回転し、Ｎ極とＳ極とが周方向あるいは軸方向に等ピッチで交互に着磁された多極磁石と、
前記多極磁石から発生する磁場の向きに応じた出力信号を出力する磁気センサ素子と、
前記出力信号に基づいて前記検出対象の変位角度を算出する角度算出手段と、
前記多極磁石の同極のピッチ間隔に相当する角度内において、前記磁場の向きと前記検出対象の実際の実変位角度との理想的な関係を示す理想直線に対して２周期の正弦波としてあらわれる角度誤差を前記理想直線に一致させるように、前記角度算出手段に算出される変位角度を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする微小角度検出センサ。
【請求項２】
前記補正手段は、前記角度誤差に対して逆位相となる補正信号により前記変位角度を補正することを特徴とする請求項１に記載の微小角度検出センサ。
【請求項３】
前記磁気センサ素子は、前記周方向の磁場成分に応じた出力信号を出力する第１の素子と、前記周方向に直交する方向の磁場成分に応じた出力信号を出力する第２の素子とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微小角度検出センサ。
【請求項４】
前記検出対象は、ステアリングシャフトであり、
前記変位角度は、前記ステアリングシャフトのねじれ角度であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の微小角度検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小角度検出センサに関し、特に、検出対象の微小な変位角度を磁気的に検出する微小角度検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、検出対象の微小な変位角度を検出する微小角度検出センサとして、検出対象となる回転軸の角度誤差を補正するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この微小角度検出センサは、磁気センサ素子により回転軸に固定された多極リング磁石の１磁極間における磁場の向きを検出し、検出された磁場の向きに基づいて微小回転角度を算出している。また、微小角度検出センサは、回転軸に固定されたエンコーダから回転軸の実回転角度を検出し、この検出された実回転角度と算出された算出回転角度との差分から角度誤差を算出して記憶部に記憶する。そして、磁場の向きに基づく算出回転角度を、記憶部に記憶された角度誤差を用いて補正することにより、検出精度を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２３４７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記したような従来の微小角度検出センサは、回転軸にエンコーダを設けて実回転角度を検出し、実回転角度と算出回転角度とから角度誤差を算出しなければならず、部品点数が増加すると共に算出処理が煩雑となるという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、簡易かつ安価な構成で検出対象の微小な変位角度を高精度に検出することができる微小角度検出センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の微小角度検出センサは、検出対象の周方向の変位に伴って回転し、Ｎ極とＳ極とが周方向あるいは軸方向に等ピッチで交互に着磁された多極磁石と、前記多極磁石から発生する磁場の向きに応じた出力信号を出力する磁気センサ素子と、前記出力信号に基づいて前記検出対象の変位角度を算出する角度算出手段と、前記多極磁石の同極のピッチ間隔に相当する角度内において、前記磁場の向きと前記検出対象の実際の実変位角度との理想的な関係を示す理想直線に対して２周期の正弦波としてあらわれる角度誤差を前記理想直線に一致させるように、前記角度算出手段に算出される変位角度を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、多極磁石の同極のピッチ間隔に相当する角度内の微小な変位角度を検出する際に、角度誤差が理想直線に対して２周期の正弦波としてあらわれるため、補正手段による補正処理を簡易な構成とすることができる。また、従来のように、エンコーダを設けて検出対象の実変位角度を検出する必要がなく、さらに実変位角度と算出変位角度との差分から角度誤差を算出して補正用に記憶させる必要がないため、簡易かつ安価な構成で検出対象の微小な変位角度を高精度に検出することができる。
【０００８】
また本発明は、上記微小角度検出センサにおいて、前記補正手段は、前記角度誤差に対して逆位相となる補正信号により前記変位角度を補正することを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、より簡易な補正処理により角度誤差を除去することができる。
【００１０】
また本発明は、上記微小角度検出センサの一例として、前記磁気センサ素子を、前記周方向の磁場成分に応じた出力信号を出力する第１の素子と、前記周方向に直交する方向の磁場成分に応じた出力信号を出力する第２の素子とを有して構成することができる。
【００１１】
また本発明は、上記微小角度検出センサにおいて、前記検出対象は、ステアリングシャフトであり、前記変位角度は、前記ステアリングシャフトのねじれ角度であることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、簡易かつ安価な構成でステアリングシャフトの微小なねじれ角度を高精度に検出することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡易かつ安価な構成で検出対象の微小な変位角度を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る微小角度検出センサの実施の形態を示す図であり、微小角度検出センサの全体構成図である。
【図２】本発明に係る微小角度検出センサの実施の形態を示す図であり、多極磁石が発生する磁場の説明図である。
【図３】本発明に係る微小角度検出センサの実施の形態を示す図であり、多極磁石の実回転角度と磁気センサの出力電圧信号との関係を示す図である。
【図４】本発明に係る微小角度検出センサの実施の形態を示す図であり、補正処理前の磁場角度と多極磁石の実回転角度との関係を示す図である。
【図５】本発明に係る微小角度検出センサの実施の形態を示す図であり、角度誤差と多極磁石の実回転角度との関係を示す図である。
【図６】本発明に係る微小角度検出センサの実施の形態を示す図であり、補正処理後の磁場角度と多極磁石の実回転角度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明が適用されるトルクセンサ等においては、検出対象の微小な、例えば、±５度程度の変位角度を磁気的に検出することが望まれている。この場合、２極磁石により変位角度を検出する方法では、磁石が１回転することで磁場の向き（以下、磁場角度とする）が１回転するため、磁石の回転の一部分のみを用いて検出する場合には分解能が低くなり、十分な検出精度が得られなかった。このため、磁石の１／ｎ回転で磁場角度が１回転するように、２極磁石の代わりに多極磁石を検出対象に取り付ける方法が考案された。
【００１６】
しかしながら、多極磁石を微小角度だけ回転させときの磁場角度を算出したところ、磁場角度と多極磁石の回転角度との間にリニアリティが得られず、検出対象の変位角度を高精度に検出できなかった。そこで、本発明者らは、磁場角度と多極磁石の回転角度との関係性を調べた結果、理想的なリニア特性に対し、２周期の正弦波として角度誤差があらわれることを発見した。すなわち、本発明の骨子は、理想的なリニア特性に対して規則的に変化する角度誤差の特性を利用して補正することにより、簡易かつ安価な構成で検出対象の微小な変位角度を高精度に検出することである。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、本発明をパワーステアリングシステム等に用いられるトルクセンサに適用する場合について説明する。しかしながら、本実施の形態に係る微小角度検出センサの適用対象については、これに限定されるものではなく適宜変更が可能である。
【００１８】
図１を参照して、微小角度検出センサの全体構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る微小角度検出センサの全体構成図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態に係る微小角度検出センサ１は、ステアリングシャフト２のねじれ角度を検出するものであり、ステアリングシャフト２に取り付けられた多極磁石５と、ステアリングシャフト２の先端の図示しないピニオンギヤに取り付けられた磁気センサ６とを有している。また、微小角度検出センサ１は、磁気センサ６に接続された算出ユニット７を有し、この算出ユニット７においてステアリングシャフト２のねじれ角が算出される。
【００２０】
多極磁石５は、円環状に形成され、ステアリングシャフト２の外周面に相対回転不能に固定されている。また、多極磁石５は、１２極アキシャル着磁磁石であり、Ｎ極とＳ極とを周方向に等ピッチで交互に着磁して構成されている。多極磁石５の隣り合う異極間では、Ｎ極からＳ極に至る円弧状の磁場を周囲に発生させており、この円弧状の磁場の磁場角度に応じてステアリングシャフト２のねじれ角が求められる。
【００２１】
磁気センサ６は、多極磁石５に対向するようにピニオンギヤに配設されており、内部に設けられた２つの磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）により多極磁石５から発生された磁場の向きに応じた信号を出力する。各磁気抵抗効果素子は、基本的な構成として、反強磁性層、ピン層、中間層およびフリー層を図示しないウエハー上に積層して形成されている。ピン層は反強磁性層により磁化方向が一方向に固定され、フリー層は外部磁場に反応して磁化方向が変化される。そして、多極磁石５の形成する磁場によりフリー層の磁化方向が変化され、ピン層の磁化方向とのなす角度で抵抗変化率が可変されることにより、これを反映した出力信号が出力される。
【００２２】
２つの磁気抵抗効果素子は、相互に直交するようにピン層が磁化されており、一方の磁気抵抗効果素子は多極磁石５の軸方向に、他方の磁気抵抗効果素子は多極磁石５の周方向に合わせてそれぞれピン層が磁化されている。一方の磁気抵抗効果素子により軸方向の磁場成分に応じた正弦波信号が出力され、他方の磁気抵抗効果素子により周方向の磁場成分に応じた余弦波信号が出力される。
【００２３】
算出ユニット７は、磁気センサ６から出力された正弦波信号および余弦波信号を増幅する増幅器１１、１２と、増幅器１１、１２に増幅された出力信号に基づいて多極磁石５の回転角度を算出する角度算出部１３と、角度算出部１３により算出される算出回転角度を補正する補正部１４とを有して構成されている。角度算出部１３は、増幅器１１、１２を介して入力された正弦波信号および余弦波信号のアークタンジェントを求めて磁場角度を算出し、この算出した磁場角度から多極磁石５の回転角度、すなわち、ステアリングシャフト２のねじれ角度を算出する。このとき、角度算出部１３により算出される算出回転角度には、軸方向の磁場成分および周方向の磁場成分の振幅比に起因した角度誤差が含まれている。
【００２４】
補正部１４は、角度算出部１３により算出される算出回転角度から角度誤差を除くように補正し、ステアリングシャフト２のねじれ角度の検出精度を高めている。なお、算出ユニット７は、内部に組み込まれたＣＰＵ(Central  Processing  Unit)がＲＯＭ（Read  Only  Memory）内の制御プログラム等の各種プログラムに従って演算し、算出処理および補正処理の各処理を実行する。
【００２５】
補正部１４による補正処理について説明する前に、算出回転角度に含まれる角度誤差について説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る多極磁石が発生する磁場の説明図である。図３は、本発明の実施の形態に係る多極磁石の回転角度と磁気センサの出力電圧信号との関係を示す図である。なお、図２は、図１の多極磁石を側方から見た図であり、多極磁石の軸方向をＹ軸方向、周方向をＸ軸方向としている。また、図３においては、縦軸が出力電圧、横軸が多極磁石の回転角度、実線Ｗ１がＹ軸方向の磁場成分の出力電圧信号、破線Ｗ２がＸ軸方向の磁場成分の出力電圧信号をそれぞれ示している。
【００２６】
図２に示すように、多極磁石５においては、Ｎ極から両隣に位置するＳ極に向かって磁場が発生しており、Ｎ極からＳ極に向かう間に磁場が１８０度回転している。したがって、磁場は、同極のピッチ間に相当するＮＳ２極分で３６０度回転される。なお、本実施の形態においては、１２極着磁の多極磁石であるため、多極磁石５が６０度回転することで、磁場が３６０度回転する関係を有している。また、磁場の強度は、Ｎ極中心およびＳ極中心において最大となり、両磁極間の中間位置において最小となっている。
【００２７】
図３に示すように、このときの磁場角度は、磁気センサ６の２つの磁気抵抗効果素子によりＹ軸方向の磁場成分およびＸ軸方向の磁場成分が出力電圧信号として出力される。Ｙ軸方向の磁場成分は正弦波の出力電圧信号として出力され、Ｘ軸方向の磁場成分は余弦波の出力電圧信号として出力される。この場合、Ｙ軸方向の磁場成分の出力電圧信号に対してＸ軸方向の磁場成分の出力電圧信号の振幅が小さくなっており、振幅比が１になっていない。これは、上記したように、磁場の回転に応じて磁場の強度が変化するためである。
【００２８】
ここで、図３に示す各磁場成分に対応する出力電圧信号からアークタンジェントを求めて磁場角度を算出し、磁場角度と多極磁石５の実回転角度との関係を調べたところ、図４に示すようになる。図４は、本実施の形態に係る補正処理前の磁場角度と多極磁石の実回転角度との関係を示す図である。なお、図４においては、縦軸が磁場角度、横軸が多極磁石の実回転角度、実線Ｗ３が実際の実リニア特性、破線Ｗ４が理想的な理想リニア特性（理想直線）をそれぞれ示している。
【００２９】
図４に示すように、実リニア特性は、多極磁石５の回転角度が０度、１５度、３０度、４５度、６０度においてのみ理想リニア特性に一致し、特に７．５度、２２．５度、３７．５度、５２．５度において理想リニア特性から大きく外れている。すなわち、算出された磁場角度は、多極磁石５の回転角度が０度、１５度、３０度、４５度、６０度以外の角度において、理想値から外れた角度誤差を含んでいる。したがって、０度、１５度、３０度、４５度、６０度以外の角度においては、磁場角度に基づいて多極磁石５の回転角度を精度よく算出することができない。
【００３０】
このときの磁場角度の角度誤差を調べてみたところ、図５のように、実線Ｗ５に示す角度誤差は、破線Ｗ６に示す理想リニア特性に対して規則的に変化していることが判明した。すなわち、角度誤差は、理想リニア特性に対して約８［ｄｅｇｒｅｅ］の振幅の２周期の正弦波状に変化する。なお、この角度誤差は、多極磁石５の磁極数を変化させても、同様に２周期の正弦波状に変化する。ただし、角度誤差は、磁極数が少なくとなると振幅が大きくなり、磁極数が多くなると振幅が小さくなる。
【００３１】
図６を参照して、補正部による補正処理について説明する。図６は、本実施の形態に係る補正処理後の磁場角度と多極磁石の実回転角度との関係を示す図である。なお、図６においては、縦軸が磁場角度、横軸が多極磁石の実回転角度、実線Ｗ７が実際の実リニア特性、破線Ｗ８が理想的な理想リニア特性（理想直線）をそれぞれ示している。
【００３２】
上記した角度誤差の規則性を発見したことにより、補正部１４において角度誤差を打ち消すような補正処理が行われる。この場合、補正部１４による補正処理は、２周期の正弦波としてあらわれる角度誤差を打ち消すような処理であればどのような処理であってもよく、例えば、８［ｄｅｇｒｅｅ］の振幅となる２周期の逆位相の正弦波を加えることで補正してもよい。この補正部１４による補正処理により、角度算出部１３によって算出される算出回転角度に含まれる角度誤差が０度に補正される。
【００３３】
この構成により、実リニア特性が理想リニア特性に一致するように磁場角度が理想値に補正されるため、磁場角度と多極磁石５の回転角度との間のリニアリティが高められる。よって、磁場角度に基づいて多極磁石５の回転角度、すなわち、ステアリングシャフト２のねじれ角度を簡易かつ高精度に検出することが可能となる。また、多極磁石の磁極数に応じて、磁場角度の角度誤差を推定することができるため、角度誤差を算出する必要がなく、補正部１４の補正処理を簡易な処理設定とすることが可能となる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態に係る微小角度検出センサ１によれば、多極磁石５の同極のピッチ間隔に相当する角度内のステアリングシャフト２のねじれ角度を検出する際に、角度誤差が理想リニア特性に対して２周期の正弦波としてあらわれることが推定可能なため、角度誤差を算出する必要がなく、補正部１４による補正処理を簡易な構成とすることが可能となる。また、従来のように、エンコーダを設けてステアリングシャフト２のねじれ角度を検出する必要がなく、さらに、ねじれ角度と算出角度との差分から角度誤差を算出して補正用に記憶させる必要がないため、簡易かつ安価な構成でステアリングシャフト２のねじれ角度を高精度に検出することができる。
【００３５】
なお、上記した実施の形態においては、角度算出部により磁場角度を求めた後、この磁場角度を補正部より補正処理し、さらに補正後の磁場角度から角度算出部により多極磁石の回転角度を算出してステアリングシャフトのねじれ角度を検出する構成としたが、この構成に限定されるものではない。角度算出部により算出される多極磁石の回転角度から角度誤差を除く構成であればよく、例えば、角度算出部により多極磁石の回転角度を算出した後、この算出回転角度を補正部により補正して、ステアリングシャフトのねじれ角度を検出する構成としてもよい。
【００３６】
また、上記した実施の形態においては、角度算出部と補正部とを有する構成したが、補正部を有さずに角度算出部の算出処理に補正処理を組み込むようにしてもよい。
【００３７】
また、上記した実施の形態においては、微小角度検出センサによりステアリングシャフトのねじれ角度を検出する構成としたが、この構成に限定されるものではない。検出対象として微小角度で変位するものであればよく、例えば、検出対象としての回転体の微小回転角度を検出する構成としてもよい。
【００３８】
また、上記した実施の形態においては、磁気センサ素子をＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子とする構成としたが、この構成に限定されるものではない。多極磁石の発生する磁場により磁場角度に応じた出力信号を出力可能なものであれば、どのようなものであってもよい。
【００３９】
また、上記した実施の形態においては、１２極着磁の多極磁石を用いて検出対象の変位角度を検出する構成としたが、この構成に限定されるものではない。磁極数を可変することで任意の微小な変位角度を検出することが可能であり、磁極数を増やすことでより微小な変位角度を精度よく検出することが可能となる。
【００４０】
また、上記した実施の形態においては、多極磁石を周方向に着磁して構成としたが、この構成に限定されるものではない。検出対象の変位を検出可能であればよく、例えば、軸方向に着磁する構成としてもよい。
【００４１】
また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上説明したように、本発明は、簡易かつ安価な構成で検出対象の微小な変位角度を高精度に検出することができるという効果を有し、特に、検出対象の微小な変位角度を磁気的に検出する微小角度検出センサに有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１  微小角度検出センサ
２  ステアリングシャフト（検出対象）
５  多極磁石
６  磁気センサ
７  算出ユニット
１１、１２  増幅器
１３  角度算出部（角度算出手段）
１４  補正部（補正手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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