(57)【要約】【課題】  応力がかかる状態においても、精密な検出が可能な回転角検出装置及びトルク検出装置を提供する。【解決手段】  回転角検出装置１Ａは、測定対象物としてのドライブシャフトＤの周囲に設けられる取付リング２と、取付リング２を回転可能に収容するハウジング３と、取付リング２の外周に設けられた着磁リング４と、ハウジング３内に配置され着磁リング４に対向する磁気センサ５と、取付リング２の回転軸回りのハウジング３の移動を規制するように一端が取り付けられたアーム６１，６２と、アーム６１，６２の他端が取り付けられた制振装置７とを備えている。【選択図】  図１
2008157816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の周囲に一体化して設けられる取付リングと、
前記取付リングを回転可能に収容するハウジングと、
前記取付リングの回転に追従して回転する位置に設けられた着磁リングと、
前記ハウジング内に配置され前記着磁リングに対向する磁気センサと、
前記取付リングの回転軸回りの、前記ハウジングの移動を規制するように一端が取り付けられたアームと、
前記アームの他端が取り付けられた制振装置と、
を備えることを特徴とする回転角検出装置。
【請求項２】
前記位置は、前記取付リングの外周である、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
【請求項３】
前記アームは、
前記ハウジングに設けられた孔内をスライド可能なヘッド部と、
前記ヘッド部にリンクしたハウジング側アームと、
前記ハウジング側アームにリンクし、他端にボールを有する制振装置側アームと、
を有し、
前記ヘッド部と前記孔の最深部との間には弾性体が介在しており、
前記制振装置は、前記ボールの外表面の一部を自由回転可能に支持する凹面を有している、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
【請求項４】
前記ハウジング側アーム及び前記制振装置側アームの一方は、そのアームの長手方向に延びた長孔を有する第１係合部を有しており、他方は、前記第１係合部がその間に配置される凹部を有する第２係合部を有しており、
前記凹部の側壁を貫通して前記長孔内を通り、前記第１及び第２係合部をリンクさせる貫通部材を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の回転角検出装置。
【請求項５】
前記第１係合部の前記長孔の貫通軸に沿った幅を規定する２つの外壁面と、前記第２係合部の凹部の幅を規定する２つの内壁面との間には、それぞれ隙間が存在することを特徴とする請求項４に記載の回転角検出装置。
【請求項６】
前記制振装置は、複数の剛性板と弾性板とを交互に積層してなることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
【請求項７】
前記制振装置は、底面にマグネットを備えていることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
【請求項８】
前記ハウジングは、非磁性金属から構成されており、
前記ハウジングは、前記取付リングを、その内面の摺動領域で回転可能に支持しており、
前記摺動領域の表面にはダイヤモンドライクカーボンが堆積されていることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
【請求項９】
前記磁気センサは、直列接続された２つの磁気抵抗効果素子を有し、
２つの前記磁気抵抗効果素子の接続点に電気的に接続された出力端子を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
【請求項１０】
前記磁気センサは、直列接続された一対の磁気抵抗効果素子を、２組並列に接続してなり、各組の前記磁気抵抗効果素子間の接続点に、それぞれ第1及び第２出力端子を接続したことを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
【請求項１１】
前記磁気センサは、スピンバルブＧＭＲ素子からなることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
【請求項１２】
前記アームは複数であり、これらのアームは、前記取付リングの回転軸、及び、前記回転軸から前記磁気センサに向かう方向の双方に直交する方向に沿って整列していることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の回転角検出装置。
【請求項１３】
回転角検出装置を２つ備えるトルク検出装置において、
それぞれの前記回転角検出装置は、
測定対象物の周囲に一体化して設けられる取付リングと、
前記取付リングを回転可能に収容するハウジングと、
前記取付リングの回転に追従して回転する位置に設けられた着磁リングと、
前記ハウジング内に配置され前記着磁リングに対向する磁気センサと、
前記取付リングの回転軸回りの、前記ハウジングの移動を規制するように一端が取り付けられたアームと、
前記アームの他端が取り付けられた制振装置と、
を備え、
それぞれの前記磁気センサからの出力を取り出すこととしたことを特徴とするトルク検出装置。
【請求項１４】
それぞれの前記磁気センサの出力間の位相差を検出する位相差検出器を備えることを特徴とする請求項１３に記載のトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転角検出装置及びトルク検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のトルク検出装置は、特許文献１及び特許文献２に記載されており２つの回転角検出装置を備えている。これらのトルク検出装置では、フェライト粒子が装填された着磁リングをシャフトに取り付け、着磁リングとベアリングのフレームに取り付けられた磁気センサとを２組用いている。それぞれの磁気センサは、シャフトの左右二箇所に設置されており、これらの磁気センサの差動出力によって、シャフト捻じれトルクを測定している。また、シャフトそのものの表面にストレインゲージを貼りつけ、このストレインゲージにかかる捻じれ応力を直接測定することも行われている。
【特許文献１】特開２０００−１９５８０７号公報
【特許文献２】特公平０７−５８２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の回転角検出装置においては、磁気センサが取り付けられるベアリングフレームおよび本体フレームに捻じれが生じた場合は、磁気センサの中心がずれてしまい、正確なトルク検出ができなくなるという問題がある。特に、自動車のドライブシャフトなどのように、大きな応力がかかる対象においては、実走行中のトルクデータを測定することは困難である。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、応力がかかる状態においても、精密な検出が可能な回転角検出装置及びトルク検出装置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】
【０００５】
上述の課題を解決するため、本発明に係る回転角検出装置は、測定対象物の周囲に一体化して設けられる取付リングと、取付リングを回転可能に収容するハウジングと、取付リングの回転に追従して回転する位置に設けられた着磁リングと、ハウジング内に配置され着磁リングに対向する磁気センサと、取付リングの回転軸回りの、ハウジングの移動を規制するように一端が取り付けられたアームと、アームの他端が取り付けられた制振装置とを備えることを特徴する。なお、一体化とは測定対象物の周囲で位置が固定されており、測定対象物の動作に追従する状態を意味する。
【０００６】
この回転角検出装置によれば、ハウジング内において取付リングが回転する。取付リングに追従して回転する位置、好適には取付リングの外周には着磁リングが設けられ、磁気センサは着磁リングに対向しているので、取付リングの回転に応じた信号が、磁気センサから出力されることになる。ハウジングには回転方向の移動を規制するアームを介して制振装置が接続されているので、制振装置を適当な固定端に接続した場合、ハウジングの回転移動が規制されると共に、固定端と測定対象物間の相対移動に伴ってハウジングに印加される応力は、アームと制振装置によって吸収される。ハウジングに与えられる応力は、磁気センサ出力に影響を与える。これは磁気センサと着磁リングとの間のギャップ変動などに起因する。また、かかる応力は間接的には測定対象にも影響を与える。つまり、磁気センサの初期値がずれてしまうという問題がある。本発明によれば、ハウジングに応力が与えられるような条件においても、これを抑制することができるので、精密な回転角検出を行うことが可能となる。
【０００７】
特に、測定対象物を自動車のドライブシャフトとし、固定端をロワーアームとした場合には、非常に大きな振動と応力下での測定となるが、本発明では、このような条件においても精密な測定が可能となるという特別な効果がある。
【０００８】
また、上述のアームは、ハウジングに設けられた孔内をスライド可能なヘッド部と、ヘッド部にリンクしたハウジング側アームと、ハウジング側アームにリンクし、他端にボールを有する制振装置側アームとを有し、ヘッド部と孔の最深部との間には弾性体が介在しており、制振装置は、ボールの外表面の一部を自由回転可能に支持する凹面を有していることが好ましい。
【０００９】
そもそもハウジングは、自重による応力も受けている。しかしながら、アームのヘッド部と孔の最深部との間には、スプリング等の弾性体が介在しているので、自重によって孔の最深部を押圧すると、ヘッド部との間に介在する弾性体が、押圧力に抗してハウジングの最深部を押し返す。しがたって、ハウジングの自重による応力も緩和される。なお、圧縮外部荷重がかかることから、スプリングの初期セット荷重は小さく設定しておくことが好ましい。各アームは、回転軸回りの回転を抑制するようにリンクしているが、ハウジング側アームは、ボールジョイントを介して制振装置と結合し、自由回転を許容しているので、測定対象物と固定端との間の相対回転移動以外の捩れ移動は許容し、かかる捩れ移動に伴う応力がハウジングにかかることを抑制している。したがって、ハウジングにかかる応力を低減し、更に精密な回転角検出を行うことが可能となる。
【００１０】
更に、ハウジング側アーム及び制振装置側アームの一方は、そのアームの長手方向に延びた長孔を有する第１係合部を有しており、他方は、第１係合部がその間に配置される凹部を有する第２係合部を有しており、凹部の側壁を貫通して長孔内を通り、第１及び第２係合部をリンクさせる貫通部材を更に備えることを特徴とする。
【００１１】
アームの長手方向の突き上げ圧力がハウジングに急激に印加される場合も想定される。各アームは、長孔内を貫通する貫通部材によって緩めにリンクしているため、このような圧力に応じてハウジングに与えられる応力を緩和することができる。また、制振装置から係合部までの距離変動が生じる捩れがハウジングと制振装置との間に生じる場合もあるが、長孔内では貫通部材が移動できるため、このような捩れもリンクが吸収して、ハウジングにかかる応力を低減することが可能となる。また、第１係合部は、第２係合部の凹部側壁によって側壁間の方向に沿った移動が規制されている。したがって、この方向を回転軸に直交する方向とすれば、回転方向のアームの移動を規制される。
【００１２】
なお、係合部のリンク位置を中心として、回転軸に平行な軸回りの運動を制振装置が行う場合がある。本発明では、第１係合部の長孔の貫通軸に沿った幅を規定する２つの外壁面と、第２係合部の凹部の幅を規定する２つの内壁面との間には、それぞれ隙間が存在するため、この僅かな隙間の分だけは、かかる軸回りの運動を吸収することができる。
【００１３】
なお、制振装置は、複数の剛性板と弾性板とを交互に積層してなることを特徴とする。金属などの剛性板と、シリコーンなど樹脂からなる弾性板は、弾性係数と固有振動数が異なるものであり、これらを積層することにより、広範囲の振動成分を吸収することができ、また、シリコーン樹脂などのみで形成された制振装置よりも、その変形の度合いを低下させ、高精度の検出を可能とする。
【００１４】
制振装置は、底面にマグネットを備えていることを特徴とする。この場合、固定端が金属からなる場合には、マグネットを介して容易に固定端へ制振装置を取り付けることができる。
【００１５】
ハウジングは、磁気センサ出力への影響を防止するため、非磁性金属から構成されており、ハウジングは、取付リングを、その内面の摺動領域で回転可能に支持しており、摺動領域の表面にはダイヤモンドライクカーボンが堆積されていることが好ましい。
【００１６】
この取付構造は、ボールベアリングを用いないリング支持形式であるため、取付リングの測定対象物への取付が簡単となる。但し、かかる簡略的な取付構造を採用したために、摺動領域は取付リングの外周面によって高速で擦られることとなる。そこで、その表面にはダイヤモンドライクカーボンを堆積することとし、摩擦による摺動領域の劣化を抑制することとした。
【００１７】
また、磁気センサは、直列接続された２つの磁気抵抗効果素子を有し、２つの磁気抵抗効果素子の接続点に電気的に接続された出力端子を更に備えることが好ましい。なお、これらの磁気抵抗効果素子は、取付リングの回転軸に対して平行に配列することができる。
【００１８】
磁気センサとして、ハードディスクなどに用いられている磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いた場合には、その検出精度は著しく高くなるが、出力値は小さいため、これらを２つ直列に接続してハーフブリッジを構成し、その接続点に出力端子を接続することとした。この場合、磁気抵抗効果素子への印加電圧変動によっても、接続点の電位の印加電圧に対する相対値は変動せず、また、磁気抵抗効果素子が２つであるため、その出力値も２倍にすることが可能となる。これにより、更に高精度の検出が可能となる。
【００１９】
また、磁気センサは、直列接続された一対の磁気抵抗効果素子を、２組並列に接続してなり、各組の磁気抵抗効果素子間の接続点に、それぞれ第1及び第２出力端子を接続してもよい。この場合には、これらの磁気抵抗効果素子はフルブリッジを構成し、その出力値がハーフブリッジの場合の２倍になる。
【００２０】
また、磁気センサは、スピンバルブＧＭＲ素子からなることを特徴とする。通常の検出素子においては、回転速度に応じて振幅が変動することが多いが、スピンバルブＧＭＲ素子は、回転速度に対する振幅変動が著しく小さい。したがって、更に高精度の検出が可能となる。
【００２１】
また、アームは複数であり、これらのアームは、取付リングの回転軸、及び、回転軸から磁気センサに向かう方向の双方に直交する方向に沿って整列していることが好ましい。この場合には、アームが回転の接線方向に整列することとなるため、ハウジングの上記回転軸方向の移動を更に抑制することができる。なお、上述の１つの貫通部材が各アームのリンクを共通して貫通すれば、ハウジングの上記回転軸方向の移動がより抑制される。
【００２２】
本発明に係るトルク検出装置は、回転角検出装置を２つ備えている。それぞれの回転角検出装置は、上述の通り、測定対象物の周囲に一体化して設けられる取付リングと、取付リングを回転可能に収容するハウジングと、取付リングの回転に追従して回転する位置に設けられた着磁リングと、ハウジング内に配置され着磁リングに対向する磁気センサと、取付リングの回転軸回りの、ハウジングの移動を規制するように一端が取り付けられたアームと、アームの他端が取り付けられた制振装置とを備えており、それぞれの磁気センサからの出力が取り出される。各回転角検出装置は、上述の通り機能する。磁気センサから得られた回転角の差が、測定対象物の捩れ量（∝トルク）を意味することとなる。この装置では、自由に回転角検出装置を取り付けられるので、測定対象物への取り付け場所を選択してトルク検出が可能となる。
【００２３】
また、本発明に係るトルク検出装置は、それぞれの磁気センサの出力間の位相差を検出する位相差検出器を備えることを特徴とする。すなわち、位相差検出器からは、回転角の差が出力される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の回転角検出装置及びトルク検出装置によれば、応力がかかる状態においても、精密な検出を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、実施の形態に係る回転角検出装置を備えたトルク検出装置について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２６】
図１は、トルク検出装置１の斜視図である。
【００２７】
トルク検出装置１は、一対の回転角検出装置１Ａ、１Ｂを備えている。これらの回転角検出装置１Ａ、１Ｂの構造は同一であるため、以下では一方の回転角検出装置１Ａの構造のみについて説明する。また、実施形態に係る測定対象物は、自動車の車輪に取り付けられるドライブシャフトＤであるが、本発明は、これに限定されるものではない。以下、詳説する。
【００２８】
回転角検出装置１Ａは、測定対象物としてのドライブシャフトＤの周囲に設けられる取付リング２と、取付リング２を回転可能に収容するハウジング３と、取付リング２の外周に設けられた着磁リング４と、ハウジング３内に配置され着磁リング４に対向する磁気センサ５と、取付リング２の回転軸回りのハウジング３の移動を規制するように一端が取り付けられたアーム６１，６２と、アーム６１，６２の他端が取り付けられた制振装置７とを備えている。取付リング２は、ドライブシャフトＤに対して一体化しており、その回転移動に追従して回転する。なお、着磁リング４は、取付リング２の回転に追従して回転する位置であれば、例えば、取付リング２に隣接するドライブシャフト位置等に設けることも可能である。
【００２９】
ドライブシャフトＤの回転軸は、Ｘ軸に一致しており、また、取付リング２の回転軸に一致している。ドライブシャフトＤは動力源から車輪に駆動力を伝達するものであるが、車輪は固定端としてのロワーアームＬＡによって支持されている。制振装置７の底面はロワーアームＬＡに固定される。
【００３０】
取付リング２は、外周表面を囲むように環状に延びた凹溝を備えており、着磁リング４は凹溝の底面上を這うように取付リング２に貼り付けられている。取付リング２は、半円状の２つの分割リング２１，２２を円形となるように向かい合わせ、双方の分割リング２１，２２を貫通するように捩じ込まれた螺子２３，２４によって互いに固定されている。
【００３１】
ハウジング３は、ハウジング本体３１と、ハウジング３１と共にシャフトＤの外周に固定された取付リング２を収容する半円筒状の蓋部３２とを備えている。ハウジング本体３１のドライブシャフト側は、磁気センサ５等を収納するキャビティ３１ａを備えており、キャビティ３１ａのＹＺ平面に沿った側壁３１ｓは、半円筒状の凹面３１ｂを有している。半円筒状の蓋部３２は、半円筒状の凹面３１ｂと対向しており、これらが組み合わされた円筒状の空間内をドライブシャフトＤが貫通している。ハウジング本体３１と蓋部３２とは、蓋部３２の外縁部を貫通してハウジング本体３１内部に至るボルトＢによって固定されている。
【００３２】
キャビティ３１ａのＸＺ平面に沿った側壁は、取付リング２の外周面の凹溝の開口端（凸部）が当接する摺動領域Ｓを備えている。摺動領域Ｓの表面にはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）が堆積されており、このコーティングによって、摺動領域Ｓの磨耗耐久性を高めている。また、取付リング２の開口端面（軸に垂直な表面）は、キャビティ３１ａのＹＺ平面に沿った側壁３１ｓの摺動領域Ｓに隣接する部分にも対向し、取付リング２のＸ軸方向の移動が規制され、また、かかる対向部分にもＤＬＣが堆積されている。また、側壁３１ｓには、付勢螺子３１ｋがスプリング３１ｍを介して設けられており、側壁３１ｓを貫通して、取付リング２の開口端面に接触可能となっている。本例では、付勢螺子３１ｋとスプリング３１ｍの数は４組である。
【００３３】
ハウジング３の底部側には、そのシリンダ（孔）内でピストン運動を行うヘッド部６１Ｈ，６２Ｈを一端部とするアーム６１，６２が設けられており、各アーム６１，６２の他端部は、ボールジョイントを介して制振装置７に接続されている。
【００３４】
回転角検出装置１Ａによれば、ハウジング３内において、取付リング２がドライブシャフトＤと共に回転する。取付リング２には着磁リング４が設けられ、磁気センサ５は着磁リング４に対向しているので、取付リング２の回転に応じた信号が、磁気センサ５から出力されることになる。ハウジング３にはＸ軸回りの回転方向の移動を規制するアーム６１，６２を介して制振装置７が接続されているので、制振装置７をロワーアームＬＡに接続した場合、ハウジング３の回転移動が規制されると共に、ロワーアームＬＡとドライブシャフトＤの間の相対移動に伴ってハウジング３に印加される応力は、アーム６１，６２と制振装置７によって吸収される。
【００３５】
ハウジング３に与えられる応力は磁気センサ出力に影響を与える。これは磁気センサ５と着磁リング４との間のギャップ変動などに起因する。また、かかる応力は間接的には測定対象にも影響を与える。本実施形態によれば、ハウジング３に応力が与えられるような条件においても、これを抑制することができるので、精密な回転角検出を行うことが可能となる。特に、本例では、測定対象物を自動車のドライブシャフトＤとし、固定端をロワーアームＬＡとした場合について示しており、この場合には非常に大きな振動と応力下での測定となるが、本例の構成によれば、このような条件においても精密な測定が可能となるという特別な効果がある。
【００３６】
各アーム６１，６２の構造は同一であり、ヘッド部６１Ｈ，６２ＨはＺ軸方向に沿って移動可能であり、それぞれのアーム６１，６２では、リンクを構成する結合用の貫通部材６Ｓ、貫通ピンＰＰ（図２参照）がＹ軸に沿って延びており、アーム６１，６２は原則的にはＸＺ平面内においてのみ屈曲するが、Ｚ軸回りの若干の捩れ運動も許容する。
【００３７】
また、上述の装置においては、アーム６１，６２が複数であり、これらのアーム６１，６２は、取付リング２の回転軸（Ｘ軸）、及び、回転軸から磁気センサ５に向かう方向（Ｚ軸）の双方に直交する方向（Ｙ軸）に沿って整列している。この場合、アーム６１，６２が取付リング２の回転の接線方向に整列することとなるため、ハウジング３の回転軸方向の移動を更に抑制することができている。なお、上述の１つの貫通部材６Ｓは各アーム６１，６２のリンクを共通して貫通しており、ハウジング３の回転軸方向の移動がより抑制されている。
【００３８】
図２は、回転角検出装置１ＡのＸ軸方向の中央を通るＹＺ平面で切った当該装置の断面図であり、図３は図２に示した装置のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。
【００３９】
ハウジング本体３１内に収容される磁気センサ５は、配線基板５１上に固定されており、配線基板５１の直下の空間内には波形成形回路５２が設けられている。波形成形回路５２上には、回路押さえ板５３が配置されている。波形成形回路５２は、磁気センサ５からの出力を増幅するＴＴＬ回路からなるアンプと、アンプ出力を方形波に成形するコンパレータとを備えている。
【００４０】
単一のＸＺ平面内におけるハウジング３の摺動領域Ｓは、ハウジング本体３１において２箇所、蓋部３２において１箇所の合計３箇所であり、取付リング２の凸部外周面が摺動領域Ｓによって支持されている。ハウジング３は、磁気センサ出力への影響を防止するため、アルミニウム等の非磁性金属から構成されている。また、ハウジング３は、取付リング２を、その内面の摺動領域Ｓで回転可能に支持している。上述のように、摺動領域Ｓの表面にはダイヤモンドライクカーボンが堆積されている。
【００４１】
この取付構造は、ボールベアリングを用いないリング支持形式であるため、取付リング２のドライブシャフトＤへの取付が簡単となる。但し、かかる簡略的な取付構造を採用したために、摺動領域Ｓは取付リング２の外周面によって高速で擦られることとなる。そこで、その表面にはＤＬＣを堆積することとし、摩擦による摺動領域の劣化を抑制することとした。
【００４２】
アーム６１，６２の構造は同一である。したがって、一方のアーム６１の構造のみについて説明する。アーム６１は、ハウジング本体３１に設けられたシリンダ（孔）３１Ｊ内をスライド可能なヘッド部Ｈと、ヘッド部Ｈにリンクしたハウジング側アームＨＡと、ハウジング側アームＨＡにリンクし、他端にボールＢＡを有する制振装置側アームＤＡとを有している。ヘッド部Ｈと孔３１の最深部ＭＤとの間には弾性体ＥＭが介在している。弾性体ＥＭはスプリングからなり、ヘッド部Ｈの先端と最深部ＭＤとの間の距離よりも、スプリングの自然長の方が長い。制振装置７は、ボールＢＡの外表面の一部を自由回転可能に支持する凹面ＣＳを有しており、自由雲台としてのボールジョイントが構成されている。
【００４３】
ハウジング３は、自重による応力も受けているが、アーム６１のヘッド部Ｈと孔３１Ｊの最深部ＭＤとの間には、スプリング等の弾性体ＥＭが介在しているので、自重によって孔３１Ｊの最深部ＭＤを下方に押圧すると、ヘッド部Ｈとの間に介在する弾性体ＥＭが、押圧力に抗してハウジングの最深部ＭＤを押し返す。しがたって、ハウジング３の自重による応力も緩和される。各アーム６１，６２は、ドライブシャフトＤの回転軸回りの回転を抑制するようにリンクしているが、ハウジング側アームＨＡは、ボールジョイントを介して制振装置７と結合し、自由回転を許容しているので、ドライブシャフトＤとロワーアームＬＡとの間の相対回転移動以外の捩れ移動は許容し、かかる捩れ移動に伴う応力がハウジング３にかかることを抑制している。上述の構造では、上述のアーム６１，６２及び貫通部材６Ｓ及びボールジョイントにより、アーム機構は水平回転ねじれにも追従するが、ドライブシャフトＤの本来の回転には追従しないこととなる。したがって、ハウジング３かかる応力を低減し、更に精密な回転角検出を行うことが可能となる。
【００４４】
ハウジング側アームＨＡと制振装置側アームＤＡとは、Ｙ軸方向に延びた貫通部材６Ｓがこれらを貫通することによってリンクしており、Ｘ軸回りの回転を更に抑制している。また、ハウジング側アームＨＡのハウジング側には、ヘッド部Ｈ及びハウジング側アームＨＡをＹ軸に沿って貫通する貫通ピンＰＰによって、ヘッド部Ｈがリンクしている。ハウジング本体３１の底面には、小径の開口を有するストップ板ＳＴがボルトＢＢで固定されており、この開口を通ってヘッド部Ｈからハウジング側アームＨＡが延びている。この開口の径は、ヘッド部Ｈよりも小さく、ヘッド部Ｈの脱落を防止している。
【００４５】
制振装置７は、複数の剛性板７Ａと弾性板７ＢとをＺ軸に沿って交互に積層してなる。金属などの剛性板７Ａと、シリコーンなど樹脂からなる弾性板７Ｂは、弾性係数と固有振動数が異なるものであり、これらを積層することにより、広範囲の振動成分を吸収することができ、また、シリコーン樹脂などのみで形成された制振装置よりも、その変形の度合いを低下させ、高精度の検出を可能とする。Ｚ軸方向の微振動は、制振装置７の弾性体７Ｂにより吸収する。
【００４６】
制振装置７の上部には、小開口を有するボール押さえ板ＢＤが設けられており、小開口の直径はボールＢＡの直径よりも小さく、小開口の周囲の面がボールＢＡの外周面に接触している。ボール押さえ板ＢＤ、剛性板７Ａ及び弾性板７Ｂは、これらをＺ軸方向に貫くボルト７Ｔとナット７Ｎによって固定されている。
【００４７】
制振装置７は、底面にマグネットＭを備えている。すなわち、制振装置７の底面の凹部内には永久磁石からなるマグネットＭが固定されている。この場合、ロワーアームＬＡが金属からなる場合には、マグネットＭを介して容易にロワーアームＬＡへ制振装置７を取り付けることができる。なお、ロワーアームＬＡの表面が平坦でない場合には、これへと取付が可能な形状の金属板に、マグネットＭを固定する。本例では、制振装置７の底面には、磁性体からなる平坦な金属板ＭＢがマグネットＭにより吸着している。
【００４８】
図４は、取付リング２と磁気センサ５を示す斜視図である。
【００４９】
上述のように、取付リング２は、半円筒状の分割リング２１，２２から構成されており、外周面の中央を通る凹溝ＧＲＶ内には着磁リング４が巻かれている。着磁リング４は着磁テープの裏面に両面テープが貼り付けられたものであり、その両端部間には隙間ＧＡＰが存在している。回転角検出においては、ゼロ点基準位置を検出する場合が多いが、本例の場合、隙間ＧＡＰが磁気センサ５に対向した場合には、磁界対応の出力が出ないため、このような信号が磁気センサ５から出力された場合の位置をゼロ点基準位置として利用することができる。また、隙間ＧＡＰの位置は、分割リング２１，２２の合わせ位置の接合境界ＪＢの位置とはずれており、接合境界ＪＢに邪魔されることなく隙間ＧＡＰを設定することができるので、ゼロ点基準位置の検出精度を向上させることができる。
【００５０】
図５は、ハウジング本体３１を上方から見た平面図である。
【００５１】
上述の取付リング２が支持される凹面からなる摺動領域Ｓが内部に形成されている。磁気センサ５は、配線基板５１上に固定され、配線基板５１は螺子５１Ｓによってハウジング本体３１に固定されている。磁気センサ５は、取付リング２の回転軸（Ｘ軸）に対して平行に配列し、直列接続された２つの磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）ＭＲ１，ＭＲ２を有している。配線基板５１には、２つの磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２の接続点に電気的に接続された出力端子ＯＵＴ１が設けられている。磁気抵抗効果素子ＭＲ１の一方端は電源電位Ｖｃｃに接続され、磁気抵抗効果素子ＭＲ２の一方端はグランド電位ＧＮＤに接続されている。
【００５２】
図６は、着磁テープを構成する着磁リング４と磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２の近傍部位の斜視図である。着磁リング４は、Ｎ極とＳ極を周方向に沿って交互に有する磁性層４ａと、磁性層４ａが形成された樹脂層４ｂと、樹脂層４ｂの裏面に設けられた両面テープからなる。両面テープは、外側接着層４ｃ、基材層４ｄ及び内側接着層４ｅを順次積層してなる。
【００５３】
磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２は、それぞれ、外部磁界によって磁化の向きが変化するフリー層Ｆ、磁化の向きが固定された固定層ＰＮ、フリー層Ｆと固定層ＰＮとの間に介在する非磁性層ＡＦからなる。本例の非磁性層ＡＦは、Ｃｕ等の導電層からなる。なお、各磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２の固定層ＰＮの磁化の向きは互いに逆向きであり、ブリッジを構成した場合に、単一の素子の出力の２倍が出力されるように設定されている。磁性層４ａのＮ極からはＳ極に向かって磁力線が延びており、この磁力線による磁界によってフリー層Ｆの磁化の向きが変更する。
【００５４】
双方のフリー層Ｆの磁化の向きが、図面のように、−Ｙ方向を向いた場合には、磁気抵抗効果素子ＭＲ２の抵抗値が低く、且つ、磁気抵抗効果素子ＭＲ１の抵抗値が高くなる。したがって、出力端子ＯＵＴ１の電位は低下する。一方、双方のフリー層Ｆの磁化の向きが＋Ｙ方向を向いた場合には、磁気抵抗効果素子ＭＲ２の抵抗値が高く、且つ、磁気抵抗効果素子ＭＲ１の抵抗値が低くなる。したがって、出力端子ＯＵＴ１の電位は上昇する。
【００５５】
すなわち、着磁リング４の回転に伴って、出力端子ＯＵＴ１からは、周期的に電位が上下する正弦波が出力されることとなる。着磁リング４と磁気センサ５の表面とのギャップをＧｒとする。なお、磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２全体のＸ軸方向の幅よりも着磁リング４の幅の方が広く設定されている。
【００５６】
磁気センサ５を構成する磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２は、スピンバルブＧＭＲ素子からなる。通常の検出素子においては、回転速度に応じて振幅が変動することが多いが、スピンバルブＧＭＲ素子は、回転速度に対する振幅変動が著しく小さい。したがって、更に高精度の検出が可能となる。
【００５７】
図７は、ギャップＧｒと磁性層からの残留磁束密度Ｂとの関係を示すグラフである。
【００５８】
ギャップＧｒが３５０μｍよりも大きくなると、磁束密度Ｂは１０ガウスを下回ることとなり、検出が困難になる。また、磁気センサ５が着磁リング４に接触すると破壊してしまう。したがって、ギャップＧｒは０よりも大きく、３５０μｍ以下に設定することが好ましい。なお、磁気センサ５が受ける磁界強度Ｈｒｙは、Ｚ軸方向のギャップＧｒの大きさをｒ、Ｙ軸方向のリング直下位置からのずれ量をｙ、磁性層４ａのＮ極とＳ極のピッチをλ、自然対数をｅとすると、Ｂ×ｅ（２πｒ／λ）×ｃｏｓ（ｙ）で与えられる。更に好ましくは、ギャップＧｒは、３０μｍ〜３００μｍに設定する。本例では、ピッチλは５００μｍ、Ｖｃｃ＝５Ｖとし、生出力１００ｍＶ以上を見込むものとする。
【００５９】
図８は、磁気センサ５からの出力を説明するタイミングチャートである。
【００６０】
着磁リング４のＮ極からＳ極に向けて磁力線が発生しており、これらはＹ軸に沿った磁界成分を有している。磁気抵抗効果素子ＭＲ１のフリー層Ｆの磁化の向きをＶＥＣＴＯＲＭＲ１（Ｆ）、固定層ＰＮの磁化の向きをＶＥＣＴＯＲＭＲ１（Ｐ）、磁気抵抗効果素子ＭＲ２のフリー層Ｆの磁化の向きをＶＥＣＴＯＲＭＲ２（Ｆ）、固定層ＰＮの磁化の向きをＶＥＣＴＯＲＭＲ２（Ｐ）として、各磁極の位置における磁化の向きの変位を示してある。なお、ベクトルの横方向はＹ軸を示し、縦方向はｒ軸（Ｚ軸）を示している。フリー層Ｆと固定層ＰＮの磁化の向きが一致した場合には、磁気抵抗は低くなり、反平行の場合には磁気抵抗は高くなる。
【００６１】
磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２の接続点の電位は、アナログの出力電圧Ｖ１Ａとして、正弦波カーブを描き、これをコンパレータで方形波に成形した場合には、デジタルの出力電圧Ｖ１Ｄが得られる。なお、上述のように、回転角検出装置の数は２つであるため、一方の回転角検出装置１Ａからの出力電圧を出力電圧Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｄとし、他方の回転角検出装置１Ｂからの出力電圧を出力電圧Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｄとする。また、方形波のデューティ比は５０％、正弦波の最大値と最小値の差Ｖｐｐは、磁気センサ５に飽和磁界が与えられた場合の１０〜１２％に設定する。
【００６２】
図９は、上述のトルク検出装置の回路図である。
【００６３】
なお、各回転角検出装置における磁気抵抗効果素子ＭＲ１、ＭＲ２の接続点には出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２がそれぞれ接続されており、それぞれ出力電圧Ｖ１Ａ，Ｖ２Ａが出力される。出力電圧Ｖ１Ａ，Ｖ２Ａは、ＴＴＬ回路などのアンプＡＭＰによって増幅され、コンパレータＣＯＭＰ１，ＣＯＭＰ２にそれぞれ入力される。コンパレータＣＯＭＰ１，ＣＯＭＰ２は、それぞれ基準電圧Ｖｒｅｆと入力電圧とを比較し、基準電圧Ｖｒｅｆを超えた場合にはハイレベルを、下回る場合にはローレベルを出力することで、方形波成形を行う。コンパレータＣＯＭＰ１，ＣＯＭＰ２から出力された方形波の出力電圧Ｖ１Ｄ、Ｖ２Ｄは、配線を介して外部回路に接続される。外部回路は、位相検出回路ＰＤを含んでおり、出力電圧Ｖ１Ｄ、Ｖ２Ｄ間の位相を検出して出力する。
【００６４】
図１０は、回転角を示す出力電圧Ｖ１Ｄ、Ｖ２Ｄと、位相検出回路ＰＤからの位相比較出力電圧Ｖ３Ｄのタイミングチャートである。
【００６５】
回転角を検出する場合には、いずれかの出力電圧Ｖ１Ｄ、Ｖ２Ｄをカウンタに入力し、パルス数をカウントすれば、これが回転角に対応することとなる。また、位相検出回路ＰＤの回路構成としては種々のものがあるが、本例では、出力電圧Ｖ１Ｄ、Ｖ２Ｄ間の排他的論理和を位相比較出力電圧Ｖ３Ｄとして出力している。なお、出力電圧Ｖ１Ｄ、Ｖ２Ｄは、トルクゼロの状態において、各パルスの立ち上がりエッジが一致するように、位相差の初期値が予め調整されているものとする。この場合、パルス間のずれ量は、双方の回転角のずれ量、すなわち、トルクを示すこととなる。微弱なトルクは、かかる手法により検出することができる。
【００６６】
なお、トルクが大きい場合には、一定期間において、出力電圧Ｖ１Ｄ、Ｖ２Ｄのカウントされたパルス数の差がトルクとなる。すなわち、位相差検出器ＰＤは、双方のパルス数の差をトルクとして出力する。
【００６７】
このように、上述のトルク検出装置は、回転角検出装置１Ａ，１Ｂを２つ備えており、それぞれの磁気センサ５からの出力を取り出している。磁気センサ５から得られた回転角の差が、測定対象物の捩れ量（∝トルク）を意味することとなる。このトルク検出装置は、それぞれの磁気センサ５（ＭＲ１，ＭＲ２）の出力間の位相差を検出する位相差検出器ＰＤを備えており、位相差検出器ＰＤからは、回転角の差が出力される。
【００６８】
また、上述の実施形態では、磁気センサ５として、ハードディスクなどに用いられている磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を用いており、その検出精度は著しく高くなるが、出力値は小さいため、これらを２つ直列に接続してハーフブリッジを構成し、その接続点に出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２を接続している。この場合、磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２への印加電圧変動によっても、接続点の電位の印加電圧Ｖｃｃに対する相対値は変動せず、また、磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２が２つであるため、その出力値も２倍にすることが可能となる。これにより、更に高精度の検出が可能となる。
【００６９】
図１１は、ハウジング側アームＨＡと制振装置側アームＤＡとの接続点近傍の斜視図である。
【００７０】
ハウジング側アームＨＡ及び制振装置側アームＤＡの一方は、そのアームの長手方向に延びた長孔ＬＨを有する第１係合部ＥＧ１を有しており、他方は、第１係合部ＥＧ１がその間に配置される凹部を有する第２係合部ＥＧ２を有している。貫通部材６Ｓは、凹部の側壁ＳＷを貫通して長孔ＬＨ内を通り、第１係合部ＥＧ１及び第２係合部ＥＧ２をリンクさせている。貫通部材６Ｓは大径ロッド６Ｓ１と小径ロッド６Ｓ２を一体化したものであり、大径ロッド６Ｓ１と第２係合部ＥＧ２の外壁面の一方との間にはワッシャＷＡ１が介在しており、小径ロッド６Ｓ２の先端部には螺子山が構成されており、第２係合部ＥＧ２の外壁面の他方と螺子山との間にはワッシャＷＡ１が介在しており、螺子山にはナットＮＴが捩じ込まれている。
【００７１】
自動車などの運動においては、アームの長手方向の突き上げ圧力がハウジングに急激に印加される場合も想定される。各アームは、長孔ＬＨ内を貫通する貫通部材６Ｓによって緩めにリンクしているため、このような圧力に応じてハウジングに与えられる応力を緩和することができる。なお、このような突き上げは、上述のヘッド部Ｈを用いたピストン構造でも吸収している。また、制振装置７から係合部ＥＧ１までの距離変動が生じる捩れがハウジングと制振装置７との間に生じる場合もあるが、長孔ＬＨ内では貫通部材６Ｓが移動できるため、このような捩れもリンクが吸収して、ハウジングにかかる応力を低減することが可能となる。また、第１係合部ＥＧ１は、第２係合部ＥＧ２の凹部側壁ＳＷによって側壁間の方向（Ｙ軸：回転の接線方向）に沿った移動が規制されている。この方向は回転方向であるため、回転方向のアームの移動を規制することができる。
【００７２】
なお、係合部のリンク位置を中心として、回転軸に平行な軸（Ｘ軸）回りの運動を制振装置７が行う場合がある。本発明では、第１係合部ＥＧ１の長孔ＬＨの貫通軸に沿った幅Ｗ１を規定する２つの外壁面Ｅ１１，Ｅ１２と、第２係合部ＥＧ２の凹部の幅Ｗ２を規定する２つの内壁面Ｅ２１，Ｅ２２との間には、それぞれ隙間が存在する（Ｗ２＞Ｗ１）。しがたって、この僅かな隙間の分だけは、かかる軸回りの運動を吸収することができる。
【００７３】
上述の長孔ＬＨを用いることにより、ドライブシャフトＤとロワーアームＬＡ側のベースプレート（金属板ＭＢ）の各運動支点位置が異なることから発生するハウジング本体３１と制振装置（台座部）７の円弧運動差異による上下方向動作差異に対応することが可能となる。すなわち、各アームが屈曲すると共に、長孔ＬＨ内を貫通部材６Ｓがスライドすることで、差異動作を吸収することができる。
【００７４】
また、上述のトルク検出装置は、後付けでドライブシャフトに簡単に装着することができる。また、取付リング２を用いているため、ドライブシャフトに直接着磁リングを設ける必要がないため、その耐久性が向上するという利点もある。また、ドライブシャフト直径が中間で変化して異なっていても、後付けリング直径をそれに合わせることで成立させることが可能である。
【００７５】
また、上述のトルク検出装置では、回転角検出装置１Ａ，１Ｂをドライブシャフトに沿って任意の距離を置いて複数個設置しており、１つの回転角基準位置に対して、他の回転角位置の無負荷時の一連の出力特性を初期値として、検知しておき、捻じれトルクがかかったときの、回転角度差もって、捻じれトルクを検出することができる。また、上述の装置では、非接触測定を行っているため、シャフトへは回転中の摩擦等の負荷が入らないという利点もある。さらに、シャフト回転に対し、２本のアーム（ロッド）６１，６２をシャフト中心軸方向に対し、直角方向に中心軸をはさんで２箇所設置しており、磁気センサの回転抑制を行っている。また、上述のトルク検出装置では、自由に回転角検出装置を取り付けられるので、測定対象物への取り付け場所を選択してトルク検出が可能となる。
【００７６】
なお、着磁リングの構造としてはテープの他に剛性の高いものを用いることも可能である。
【００７７】
次に、磁気センサ５として、４つの磁気抵抗効果素子を用いた例について説明する。
図１２は、４つの磁気抵抗効果素子でフルブリッジ回路を構成してなる磁気センサ５の近傍の斜視図である。
【００７８】
磁気センサ５は、直列接続された一対の磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を、電源電位Ｖｃｃとグランド電位ＧＮＤとの間に２組並列に接続してなる。各組の磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２間の接続点には、それぞれ第１出力端子ＤＯ１及び第２出力端子ＤＯ２が接続されている。この場合には、これら４つの磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２はフルブリッジを構成し、その出力値がハーフブリッジの場合の２倍になる。
【００７９】
なお、着磁リング４の最下点の直下位置、すなわち、着磁リング４と磁気センサ４との間の最小離隔距離を与える磁気センサ５上の位置は、Ｙ軸方向に沿って隣接する磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２間の中点位置に設定されている。このように、磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を回転軸に直交する方向（Ｙ軸）に離隔させてピッチを設けることで、出力信号に位相差を作ることができ、この出力信号から回転の正転及び逆転を検知することも可能となる。このように、回転軸に直交する方向（Ｙ軸）に磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２を離隔させる構成は、上述のハーフブリッジ回路の構成にも適用することが可能である。
【００８０】
図１３は、図１２に示す磁気センサ５を用いた場合のトルク検出装置の回路図である。
【００８１】
直列に接続された磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２の接続構成は、図９に示したものと同一である。
【００８２】
出力端子ＯＵＴ１を有する一方の回転角検出装置の電源電位Ｖｃｃとグランド電位との間には、１組目の磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２がこの順番で直列に接続され、また、２組目の磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２が逆の順番で直列に接続されている。出力端子ＯＵＴ２を有する他方の回転角検出装置の回路構造は、前記一方の回転角検出装置の回路構造と同一である。
【００８３】
直列接続された磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２間の接続点には、第１出力端子ＤＯ１及び第２出力端子ＤＯ２を構成しており、第１出力端子ＤＯ１及び第２出力端子ＤＯ２から出力される逆相の正弦波信号（電圧）は、それぞれ差動増幅回路ＤＩＦに入力される。
【００８４】
差動増幅回路ＤＩＦは、オペアンプＡの反転入力端子と第１出力端子ＤＯ１との間に接続された抵抗Ｒ１、オペアンプＡの非反転入力端子と第２出力端子ＤＯ２との間に接続された抵抗Ｒ２、オペアンプＡの反転入力端子と出力端子ＯＵＴ１（ＯＵＴ２）との間に接続された帰還抵抗Ｒ３、オペアンプＡの非反転入力端子と基準電位との間に介在する抵抗Ｒ４からなり、入力信号の差分を出力する。なお、本例では、Ｒ１＝Ｒ２，Ｒ３＝Ｒ４であることとし、便宜上、各抵抗の抵抗値を符号を同一記号で表記することとすると、出力端子ＯＵＴ１（ＯＵＴ２）からの出力電圧は、（Ｖ１−Ｖ２）／（Ｒ３／Ｒ１）で与えられる。なお、Ｖ１及びＶ２は、それぞれ第１出力端子ＤＯ１及び第２出力端子ＤＯ２からの出力電圧であり、互いに逆相の正弦波信号である。これらの逆相の正弦波信号の差分の振幅は、各正弦波信号の振幅の２倍となる。
【００８５】
波形成形回路５２では、出力された正弦波信号を増幅した後、方形波に波形成形を行い、それぞれデジタルの出力信号Ｖ１Ｄ及びＶ２Ｄとして外部に出力する。正弦波出力を方形波に成形する波形成形回路５２の構成は、図９に示した出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２の後段の回路と同一であり、波形成形回路５２の出力信号Ｖ１Ｄ，Ｖ２Ｄは、位相検出器ＰＤに入力される。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】トルク検出装置１の斜視図である。
【図２】回転角検出装置１ＡのＸ軸方向の中央を通るＹＺ平面で切った当該装置の断面図である。
【図３】図２に示した装置のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。
【図４】取付リング２と磁気センサ５を示す斜視図である。
【図５】ハウジング本体３１を上方から見た平面図である。
【図６】着磁テープを構成する着磁リング４と磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２の近傍部位の斜視図である。
【図７】ギャップＧｒと磁性層からの残留磁束密度Ｂとの関係を示すグラフである。
【図８】磁気センサ５からの出力を説明するタイミングチャートである。
【図９】トルク検出装置の回路図である。
【図１０】回転角を示す出力電圧Ｖ１Ｄ、Ｖ２Ｄと、位相検出回路ＰＤからの位相比較出力電圧Ｖ３Ｄのタイミングチャートである。
【図１１】ハウジング側アームＨＡと制振装置側アームＤＡとの接続点近傍の斜視図である。
【図１２】着磁テープを構成する着磁リング４と磁気抵抗効果素子ＭＲ１，ＭＲ２の近傍部位の斜視図である。
【図１３】トルク検出装置の回路図である。
【符号の説明】
【００８７】
１Ａ…回転角検出装置、Ｄ…ドライブシャフト、２…取付リング、３…ハウジング、４…着磁リング、５…磁気センサ、６１，６２…アーム、７…制振装置。
【図１】
2008157816.tif 000003
【図２】
2008157816.tif 000004
【図３】
2008157816.tif 000005
【図４】
2008157816.tif 000006
【図５】
2008157816.tif 000007
【図６】
2008157816.tif 000008
【図７】
2008157816.tif 000009
【図８】
2008157816.tif 000010
【図９】
2008157816.tif 000011
【図１０】
2008157816.tif 000012
【図１１】
2008157816.tif 000013
【図１２】
2008157816.tif 000014
【図１３】
2008157816.tif 000015