(57)【要約】【課題】  バイアス用磁石毎の磁界の強さの分布のばらつきが小さく、出力波形の調整に手間が掛からない磁気センサの提供。【解決手段】  １又は複数の磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２と、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２の磁界感度を高める為に磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２の周囲に磁界を形成するバイアス用磁石Ｍとを備え、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２の抵抗値に基づき、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２を通過する磁束の密度を検出すべくなしてある磁気センサ。バイアス用磁石Ｍは、複数の磁石を磁界の方向に積層して成形してある構成である。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１又は複数の磁気抵抗素子と、該磁気抵抗素子の磁界感度を高める為に該磁気抵抗素子の周囲に磁界を形成するバイアス用磁石とを備え、前記磁気抵抗素子の抵抗値に基づき、該磁気抵抗素子を通過する磁束の密度を検出すべくなしてある磁気センサにおいて、
前記バイアス用磁石は、複数の磁石を前記磁界の方向に積層して成形してあることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
回転体に設けられた磁性体の１又は複数のターゲットと、請求項１に記載され、前記ターゲットに対向配置され、前記回転体が回転するに従って検出信号を出力する１又は複数の磁気センサとを、前記回転体の回転軸方向に離隔して２組設け、前記磁気センサがそれぞれ出力した検出信号に基づき、前記回転体に加わるトルクを算出して出力することを特徴とするトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１又は複数の磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子の磁界感度を高める為に磁気抵抗素子の周囲に磁界を形成するバイアス用磁石とを備え、磁気抵抗素子の抵抗値に基づき、磁気抵抗素子を通過する磁束の密度を検出する磁気センサ、及びこの磁気センサを使用したトルク検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の舵取装置に、電動モータを駆動して操舵補助を行ない、運転者の負担を軽減するものがある。これは、操舵輪（ステアリングホイール）に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルク検出装置が入力軸に加わる操舵トルクを検出し、トルク検出装置が検出した操舵トルクに基づき、出力軸に連動する操舵補助用の電動モータを駆動制御するものである。
【０００３】
このような舵取装置で使用されるトルク検出装置の１つとして、回転体に設けられた磁性体のターゲットと、磁気抵抗素子回路、増幅器及びバイアス用磁石からなる磁気センサとを、回転体を入力軸及び出力軸にそれぞれ同軸に固設して、２組設けたトルク検出装置が、特許文献１に開示されている。このトルク検出装置では、２つの磁気センサが、それぞれバイアス用磁石による磁界のターゲットの変移による（回転体の回転による）変化を、磁気抵抗素子の抵抗変化に変換し、その抵抗変化を磁気抵抗素子からなる分圧回路により正弦波電圧に近似させて増幅し出力している。
【０００４】
２つの磁気センサがそれぞれ出力した電圧の差は、入力軸及び出力軸を連結する連結軸の捩れに対応するようにしてあり、出力電圧の差に基づき、その捩れを生じさせたトルクを知ることが出来る。
【特許文献１】特開２００３−１１４１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したトルク検出装置に使用される磁気センサでは、バイアス用磁石が均一に着磁されている場合、バイアス用磁石が形成する磁界の強さの分布（磁束密度分布）を図示すれば、図３（ｂ）に示すように、磁界を形成する面（長方形とする）の中心付近で最も強く、中心から遠ざかる程弱くなる前後左右対称の山型になる（ここでは、二次元に単純化して図示してある）。しかし、実際には、例えば、図９に示すように、最も強い部分が面の中心から外れていることが多く、磁界の強さの分布は、バイアス用磁石毎に異なっている。その為、磁気センサ毎の出力波形が異なることになり、その調整に手間が掛かるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１発明では、バイアス用磁石毎の磁界の強さの分布のばらつきが小さく、出力波形の調整に手間が掛からない磁気センサを提供することを目的とする。また、第２発明では、第１発明に係る磁気センサを使用した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】
【０００７】
第１発明に係る磁気センサは、１又は複数の磁気抵抗素子と、該磁気抵抗素子の磁界感度を高める為に該磁気抵抗素子の周囲に磁界を形成するバイアス用磁石とを備え、前記磁気抵抗素子の抵抗値に基づき、該磁気抵抗素子を通過する磁束の密度を検出すべくなしてある磁気センサにおいて、前記バイアス用磁石は、複数の磁石を前記磁界の方向に積層して成形してあることを特徴とする。
【０００８】
この磁気センサでは、バイアス用磁石が、１又は複数の磁気抵抗素子の磁界感度を高める為に、磁気抵抗素子の周囲に磁界を形成し、磁気抵抗素子の抵抗値に基づき、磁気抵抗素子を通過する磁束の密度を検出する。バイアス用磁石は、複数の磁石を磁界の方向に積層して成形してある。
【０００９】
第２発明に係るトルク検出装置は、回転体に設けられた磁性体の１又は複数のターゲットと、請求項１に記載され、前記ターゲットに対向配置され、前記回転体が回転するに従って検出信号を出力する１又は複数の磁気センサとを、前記回転体の回転軸方向に離隔して２組設け、前記磁気センサがそれぞれ出力した検出信号に基づき、前記回転体に加わるトルクを算出して出力することを特徴とする。
【００１０】
このトルク検出装置では、磁性体の１又は複数のターゲットが回転体に設けられ、請求項１に記載された１又は複数の磁気センサが、ターゲットに対向配置され、回転体が回転するに従って検出信号を出力する。これらのターゲット及び磁気センサを回転体の回転軸方向に離隔して２組設け、磁気センサがそれぞれ出力した検出信号に基づき、回転体に加わるトルクを算出して出力する。
【発明の効果】
【００１１】
第１発明に係る磁気センサによれば、バイアス用磁石毎の磁界の強さの分布のばらつきが小さく、出力波形の調整に手間が掛からない磁気センサを実現することが出来る。
【００１２】
第２発明に係るトルク検出装置によれば、第１発明に係る磁気センサを使用したトルク検出装置を実現することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は、第１発明に係る磁気センサ及び第２発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を模式的に示す模式図である。このトルク検出装置は、例えば車両の舵取装置に取り付けられており、上端を操舵輪１（操舵部材）に連結された入力軸１６（回転体）と、下端を舵取機構のピニオン１８に連結された出力軸１７（回転体）とを、細径のトーションバー１９（連結軸）を介して同軸状に連結し、前記操舵輪１と舵取機構とを連絡する操舵軸１３が構成されており、入力軸１６及び出力軸１７の連結部近傍は以下のように構成されている。
【００１４】
入力軸１６には、出力軸１７との連結側端部近傍に、円板形をなすターゲット板１２ａ，１２ｂが同軸状に、ターゲット板１２ａ（回転体）を操舵輪１側にして外嵌固定されている。ターゲット板１２ａの外周面には、磁性体製の凸起であるターゲット３ａが、例えば３６個、周方向に等間隔で突設され、ターゲット板１２ｂの外周面には、磁性体製の凸起であるターゲット３ｂが、ターゲット３ａの個数と互いに素である個数、例えば３７個、周方向に等間隔で突設されている。ここで、互いに素であるとは、１以外の公約数を持たないことを意味する。このターゲット３ａ，３ｂは、インボリュート歯形を有する平歯車の歯からなり、環状の平歯車がターゲット板１２ａ，１２ｂ及びターゲット３ａ，３ｂを構成している。
【００１５】
上述したターゲット３ａと同様の３６個のターゲット３ｃを備えたターゲット板１２ｃ（回転体）が、出力軸１７の入力軸１６との連結側端部近傍にも外嵌固定されており、出力軸１７側のターゲット板１２ｃの各ターゲット３ｃと、入力軸１６側のターゲット板１２ａの各ターゲット３ａとは周方向に整合されて並設されている。尚、ターゲット３ａ，３ｂ，３ｃである歯は、入力軸１６及び出力軸１７を磁性体製とし、入力軸１６及び出力軸１７の周面を歯切り加工することにより形成されてもよい。
【００１６】
ターゲット板１２ａ，１２ｂ，１２ｃの外側には、それぞれの外周のターゲット３ａ，３ｂ，３ｃの外縁を臨むように、センサボックス１１ａが配設されている。センサボックス１１ａは、入力軸１６及び出力軸１７を支承するハウジング（図示せず）等の動かない部位に固定支持されている。センサボックス１１ａの内部には、入力軸１６側のターゲット３ａの周方向に異なる部位に対向する磁気センサ１Ａ，１Ｂと、出力軸１７側のターゲット３ｃの周方向に異なる部位に対向する磁気センサ２Ａ，２Ｂとが、周方向位置を正しく合わせて収納されている。また、入力軸１６側のターゲット３ｂの周方向に異なる部位に対向する磁気センサ３Ａ，３Ｂが収納されている。
【００１７】
磁気センサ１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂは、磁気抵抗素子（磁気抵抗効果素子、ＭＲ素子）等、磁界の作用により電気的特性（抵抗）が変化する特性を有する素子を用い、対向するターゲット３ａ，３ｃ，３ｂの近接する部位に応じて検出信号が変わるように構成されたセンサであり、これらの検出信号は、センサボックス１１ａ外部又は内部のマイクロプロセッサを用いてなる演算処理回路１０に与えられている。
【００１８】
磁気センサ１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂは、それぞれ図２に示すように、２個の磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２が、検出面に沿って並ぶように直列接続されており、検出面の反対側にバイアス用磁石Ｍを備えている。バイアス用磁石Ｍは、図３（ａ）に示すように、磁界を形成する面が同じ長方形の例えば３枚の磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を、図３（ｂ）に示すように、着磁方向を同じにして積層することにより成形されている。このようにすることにより、図３（ａ）に示すような磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のばらばらの磁界の強さの分布（磁束密度分布）が、図３（ｂ）に示すように、加算され平均化されて、本来有すべき前後左右対称の山型に近い、バイアス用磁石Ｍの磁界の強さの分布に変換される。
【００１９】
磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２は、それぞれ図４に示すように、磁束密度の変化に対して抵抗が変化する電気的特性を有している。磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２の直列回路を、定電圧Ｖinを分圧する分圧回路（磁気抵抗素子回路）としてあり、検出面に近接させて、ターゲット３（歯）を移動させると、図２（ａ）に示すように、磁気抵抗素子ＭＲ１にターゲット３が最接近した位置では、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２の分圧Ｖout は、図５に示すように、最小電圧値になる。
【００２０】
図２（ｂ）に示すように、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２から等距離にターゲット３（歯）が位置するときは、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２の分圧Ｖout は、図５に示すように、中点電圧値Ｖin／２になる。図２（ｃ）に示すように、磁気抵抗素子ＭＲ２にターゲット３（歯）が最接近した位置では、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２の分圧Ｖout は、図５に示すように、最大電圧値になる。ターゲット３が（歯）磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２に近接して通過すると、磁気抵抗素子ＭＲ１，ＭＲ２の分圧Ｖout は、図５に示すような正弦波に近似した波形となる。
【００２１】
図６は、磁気センサ１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂの回路構成例を示す回路図である。磁気センサ１Ａは、基準電圧Ｖref の磁気抵抗素子ＭＲ11，ＭＲ12による分圧を増幅器１Ａａが増幅し、検出信号Ｖ１Ａとして出力する。磁気センサ１Ｂは、基準電圧Ｖref の磁気抵抗素子ＭＲ21，ＭＲ22による分圧を増幅器１Ｂａが増幅し、検出信号Ｖ１Ｂとして出力する。磁気センサ２Ａは、基準電圧Ｖref の磁気抵抗素子ＭＲ31，ＭＲ32による分圧を増幅器２Ａａが増幅し、検出信号Ｖ２Ａとして出力する。
【００２２】
磁気センサ２Ｂは、基準電圧Ｖref の磁気抵抗素子ＭＲ41，ＭＲ42による分圧を増幅器２Ｂａが増幅し、検出信号Ｖ２Ｂとして出力する。磁気センサ３Ａは、基準電圧Ｖref の磁気抵抗素子ＭＲ51，ＭＲ52による分圧を増幅器３Ａａが増幅し、検出信号Ｖ３Ａとして出力する。磁気センサ３Ｂは、基準電圧Ｖref の磁気抵抗素子ＭＲ61，ＭＲ62による分圧を増幅器３Ｂａが増幅し、検出信号Ｖ３Ｂとして出力する。
【００２３】
基準電圧Ｖref は５Ｖであり、増幅器１Ａａ，１Ｂａ，２Ａａ，２Ｂａ，３Ａａ，３Ｂａには、１２Ｖの電源電圧Ｖccが与えられている。尚、磁気抵抗素子ＭＲ11，ＭＲ12と磁気抵抗素子ＭＲ21，ＭＲ22、磁気抵抗素子ＭＲ31，ＭＲ32と磁気抵抗素子ＭＲ41，ＭＲ42、磁気抵抗素子ＭＲ51，ＭＲ52と磁気抵抗素子ＭＲ61，ＭＲ62は、それぞれ１チップに形成されている。
【００２４】
演算処理回路１０（図１）には、入力軸１６が回転したときの回転角度と磁気センサ１Ａ，１Ｂ，３Ａ，３Ｂの実測した各検出信号の値とを対応させて記憶しているテーブル１４が内蔵されている。磁気センサ１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂは、各ターゲット３ａ，３ｃ，３ｂの通過に応じて、上述したように、正弦波に近似した検出信号を出力する。
【００２５】
以下に、このような構成のトルク検出装置の動作を説明する。各磁気センサ１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂは、対応するターゲット３ａ，３ｃ，３ｂがそれぞれのセンサとの対向位置を通過する間、それぞれ図７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、入力軸１６，１７の各回転角度の変化に応じて、上昇し下降する検出信号を出力する。
【００２６】
磁気センサ１Ａ，１Ｂの検出信号は、これらに対応するターゲット３ａが設けられた入力軸１６の回転角度に対応するものとなり、磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出信号は、これらに対応するターゲット３ｂが設けられた入力軸１６の回転角度に対応するものとなり、磁気センサ２Ａ，２Ｂの検出信号は、これらが対向するターゲット３ｃが設けられた出力軸１７の回転角度に対応するものとなる。
【００２７】
従って、演算処理回路１０は、磁気センサ１Ａ，１Ｂの検出信号から入力軸１６の相対回転角度を算出することができ、演算処理回路１０及び磁気センサ１Ａ，１Ｂは入力軸１６の回転角度検出装置として作動する。また、演算処理回路１０は、磁気センサ２Ａ，２Ｂの検出信号から出力軸１７の相対回転角度を算出することができ、演算処理回路１０及び磁気センサ２Ａ，２Ｂは出力軸１７の回転角度検出装置として作動する。
【００２８】
入力軸１６にトルクが加わった場合、磁気センサ１Ａ，１Ｂの各検出信号と磁気センサ２Ａ，２Ｂの各検出信号とには差が生じる。磁気センサ１Ａ，２Ａと磁気センサ１Ｂ，２Ｂとは、ターゲット板１２ａ，１２ｃの周方向に、例えば電気角９０°位相を異ならせている。それぞれの検出信号は、上昇及び下降の転換点である極大値及び極小値で非線形的な変化率が最大となるが、位相が異なっている為、相互に補完させることが出来る。尚、補完が可能であれば、異なる位相角度は電気角１°〜３６０°未満の何れでも良い。
【００２９】
ここで、磁気センサ１Ａの検出信号と磁気センサ２Ａの検出信号との差、又は磁気センサ１Ｂの検出信号と磁気センサ２Ｂの検出信号との差は、入力軸１６と出力軸１７との回転角度の差（相対角度変位）に対応するものとなる。この相対角度変位は、入力軸１６に加わるトルクの作用下において、入力軸１６と出力軸１７とを連結するトーションバー１９に生じる捩れ角度に対応する。従って、前述した検出信号の差に基づいて入力軸１６に加わるトルクを算出することが出来る。
【００３０】
また、磁気センサ３Ａ及び磁気センサ３Ｂは、磁気センサ１Ａ及び磁気センサ１Ｂと同様に、ターゲット板１２ｂの周方向に、電気角９０°位相が異なっているが、磁気センサ１Ａ及び磁気センサ１Ｂに対向するターゲット３ａの個数が３６個であるのに対して、磁気センサ３Ａ及び磁気センサ３Ｂに対向するターゲット３ｂの個数は３７個である。従って、磁気センサ１Ａ，３Ａ及び磁気センサ１Ｂ，３Ｂは、図８に示すように、入力軸１６が１位相回転する都度、１／３７位相宛、それぞれ互いに位相がずれて行く検出信号を出力する。
【００３１】
磁気センサ１Ａ，３Ａのみ又は磁気センサ１Ｂ，３Ｂのみでは、図８に示すように、入力軸１６が３６０°回転する間に、同じ検出信号値の組が２回出現するので、入力軸１６の回転角度（絶対回転角度）を特定出来ないが、磁気センサ１Ａ，３Ａ，１Ｂ，３Ｂの各検出信号値をテーブル１４で参照することにより、入力軸１６の回転角度を特定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１発明に係る磁気センサ及び第２発明に係るトルク検出装置の実施の形態の構成を模式的に示す模式図である。
【図２】磁気センサを説明する為の説明図である。
【図３】第１発明に係る磁気センサのバイアス用磁石の構成例を説明する為の説明図である。
【図４】磁気抵抗素子の電気的特性の例を示す特性図である。
【図５】磁気センサの出力波形の例を示す波形図である。
【図６】磁気センサの回路構成の例を示す回路図である。
【図７】磁気センサの出力波形の例を示す波形図である。
【図８】磁気センサの出力波形の例を示す波形図である。
【図９】従来の磁気センサのバイアス用磁石の磁界の強さの分布（磁束密度分布）の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  操舵輪（操舵部材）
１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ  磁気センサ
１Ａａ，１Ｂａ，２Ａａ，２Ｂａ，３Ａａ，３Ｂａ  増幅器
３，３ａ，３ｂ，３ｃ  ターゲット
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ  ターゲット板（回転体）
１０  演算処理回路
１４  テーブル
１６  入力軸（回転体）
１７  出力軸（回転体）
１８  ピニオン（舵取機構）
１９  連結軸（トーションバー）
Ｍ  バイアス用磁石
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３  磁石
ＭＲ１，ＭＲ２，ＭＲ11，ＭＲ12，ＭＲ21，ＭＲ22，ＭＲ31，ＭＲ32，ＭＲ41，ＭＲ42，ＭＲ51，ＭＲ52，ＭＲ61，ＭＲ62  磁気抵抗素子（磁気抵抗効果素子、ＭＲ素子）
【図１】
2005106736.tif 000003
【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】
2005106736.tif 000008
【図７】
2005106736.tif 000009
【図８】
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【図９】
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