(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側磁性体と、内側磁性体の外側に隙間を隔てて配置された外側磁性体と、内側磁性体と外側磁性体と隙間を経由して循環する磁束を発生させる磁石と、磁路の途中に配置されたＭＩセンサとを備え、
内側磁性体と外側磁性体は相対回転可能であり、内側磁性体と外側磁性体の最短距離が内側磁性体と外側磁性体の相対回転角に依存して変化し、内側磁性体と外側磁性体の相対回転角に依存して変化する前記循環磁束の大きさを前記ＭＩセンサで検出し、そのＭＩセンサの出力から前記相対回転角を測定する回転角センサであり、
内側磁性体の外形が略正多角形状に形成されているとともに外側磁性体の内形が内側に突出する突部を有する円形に形成されていることを特徴とする回転角センサ。
【請求項２】
ＭＩセンサが、外側磁性体に固定されていることを特徴とする請求項１の回転角センサ。
【請求項３】
磁石が、外側磁性体に固定されていることを特徴とする請求項１又は２の回転角センサ。
【請求項４】
ＭＩセンサと磁石が、内側磁性体の回転中心を挟む対称位置において外側磁性体に固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項の回転角センサ。
【請求項５】
内側磁性体の外形が略正ｎ角形状に形成されており、外側磁性体の内周側の３６０°／２ｎの奇数倍だけ隔てた位置に第１ＭＩセンサと第２ＭＩセンサを固定したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の回転角センサ。
【請求項６】
内側磁性体と、内側磁性体の外側に隙間を隔てて配置された外側磁性体と、内側磁性体と外側磁性体と隙間を経由して循環する磁束を発生させる磁石と、磁路の途中に配置されたＭＩセンサとを備え、
内側磁性体と外側磁性体は相対回転可能であり、内側磁性体と外側磁性体の相対回転角に依存して変化する前記循環磁束の大きさを前記ＭＩセンサで検出し、そのＭＩセンサの出力から前記相対回転角を測定する回転角であり、
内側磁性体の外形が略正ｎ角形状に形成されており、外側磁性体の内周側の３６０°／２ｎの奇数倍だけ隔てた位置に第１ＭＩセンサと第２ＭＩセンサを固定したことを特徴とする回転角センサ。
【請求項７】
回転軸に沿って伸びるトーションバーと、トーションバーの一端に連結されている請求項１から６のいずれか１項の回転角センサと、トーションバーの他端に連結されている請求項１から６のいずれか１項の回転角センサとを備えているトルクセンサ。
【請求項８】
回転軸に沿って伸びるトーションバーと、トーションバーの一端に連結されているとともに第１突起をもつ第１磁性体と、トーションバーの他端に連結されているとともに第１突起に対向する第２突起をもつ第２磁性体と、第１磁性体と第２磁性体の外側に配置された第３磁性体と、「第１磁性体と第３磁性体を循環する第１磁束」と「第１磁性体と第２磁性体と第３磁性体を循環する第２磁束」とを発生させる磁石と、第１磁束が流れる第１磁路の途中に配置された第１ＭＩセンサ、第２磁束が流れる第２磁路の途中に配置された第２ＭＩセンサとを備え、
トーションバーがねじれると前記第１突起と第２突起の対向面積が変化し、それに追随して第１ＭＩセンサの出力値と第２ＭＩセンサの出力値がともに変化し、前記第１ＭＩセンサの出力値と第２ＭＩセンサの出力値の差から前記トーションバーにねじれをもたらしているトルクの大きさを測定することができるトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体の回転角を測定するための回転角センサと、トーションバーの両端に生じる回転角の差からトーションバーに作用しているトルクを測定するセンサに関する。本発明のセンサは、車両の電動パワーステアリング装置のために、操舵角や操舵トルクを測定するのに適している。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動パワーステアリング装置は下記の構成のトルクセンサを備えている。従来のトルクセンサは、トルクが作用するとねじれるトーションバーと、トーションバーの上端に固定された第１回転角センサと、トーションバーの下端に固定された第２回転角センサを備えている。各回転角センサは、レゾルバ式の回転角センサであり、トーションバーとともに回転するロータコイルと、固定された筒に固定されたステータコイルを備えている。
トーションバーの上端側のステータコイルの出力値からトーションバーの上端側の回転角が測定され、トーションバーの下端側のステータコイルの出力値からトーションバーの下端側の回転角が測定され、両者の回転角の差からトーションバーにねじれを発生させているトルクの大きさが測定される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レゾルバ式の回転角センサは、多数のロータコイルとステータコイルを必要とし、構造が複雑であり、製造コストが嵩み、小型化が困難である。さらに、この種のコイルは断線したりショートしたりするおそれがあるため、信頼性の面でも問題もあった。
そこで本発明では、構造が簡単であり、安価に製造することができ、小型化しやすく、しかも信頼性が高い回転角センサとトルクセンサを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用と効果】
本発明の回転角センサは、内側磁性体と、内側磁性体の外側に隙間を隔てて配置された外側磁性体と、内側磁性体と外側磁性体と隙間を経由して循環する磁束を発生させる磁石と、磁路の途中に配置されたＭＩセンサとを備えている。内側磁性体と外側磁性体は相対回転可能であり、内側磁性体と外側磁性体と隙間を経由して循環する磁束の大きさが内側磁性体と外側磁性体の相対回転角に依存して変化する。ＭＩセンサは、内側磁性体と外側磁性体の相対回転角に依存して変化する循環磁束の大きさを検出する。そのＭＩセンサの出力から前記相対回転角を測定することができる。
【０００５】
ここでいう「ＭＩセンサ」とは、いわゆる磁気インピーダンス効果（ＭＩ効果）を利用した、超高感度な磁気センサのことを指す。ＭＩ効果とは次のようなものをいう。即ち、細長い高透磁率金属に高周波電流またはパルス電流を通電すると、金属に表皮効果が生じる。このときの電流経路の深さδに二乗は、電気抵抗率ρに比例する反面、高周波電流の角周波数ωと電流によって生じる磁界方向の透磁率μに反比例する。磁界方向の透磁率μは外部磁界Ｈｅｘによって変化する。従って電流経路の深さδは、外部磁界Ｈｅｘに依存して変化する。そのために電気抵抗とインダクタンスの変化が同レベルになり、インピーダンスの大きさが外部磁界Ｈｅｘによって変化することになる。インピーダンスＺの大きさの変化率は、例えばアモルファスワイヤを用いると、１エルステッドあたり１００％程度にすることが容易にできる。このような電磁気現象をＭＩ効果と称しているのである。
応用磁気の分野においては、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果と呼ばれる電磁気現象が知られており、最近ではこの効果を利用した磁気センサも一部では提案されているが、ＭＩ効果を利用した磁気センサのほうが高い感度を実現することができる。なおＭＩ効果を利用した磁気センサは、消費電力が極めて小さいことに加え、高周波電流が磁気変調のキャリアとなるため応答性も非常に速い。
【０００６】
請求項１に記載の発明では、内側磁性体と外側磁性体が相対回転した場合、内側磁性体と外側磁性体と隙間で構成される磁路の磁気抵抗が変化し、内側磁性体と外側磁性体と隙間を循環する磁束の大きさが変化する。その変化する磁束の大きさをＭＩセンサが検知する。ＭＩセンサの出力は磁束の大きさに依存し、磁束の大きさは磁気抵抗に依存し、磁気抵抗は内側磁性体と外側磁性体の相対回転角に依存するために、ＭＩセンサの出力から内側磁性体と外側磁性体の相対回転角を測定することができる。
このセンサでは、磁束の大きさを検出するために、コイルに代えて超高感度なＭＩセンサを用いるので、高感度な回転角センサを提供することができる。この回転角センサは、構造が簡単であり、安価に製造することができ、小型化しやすく、しかも信頼性が高い。
【０００７】
本発明の回転角センサは、内側磁性体と外側磁性体の最短距離が、内側磁性体と外側磁性体の相対回転角に依存して変化する。
内側磁性体と外側磁性体は磁束が流れにくい隙間（エアギャップ）によって隔てられているが、その最短距離が長くなると磁路の磁気抵抗が増大して磁束の大きさは減少する。最短距離が短くなると磁路の磁気抵抗が減少して磁束の大きさは増大する。
【０００８】
本発明の回転角センサは、内側磁性体の外形が略正多角形状に形成されており、外側磁性体の内形が内側に突出する突部を有する円形に形成されている。内側磁性体と外側磁性体の最短距離が内側磁性体と外側磁性体の相対回転角に依存して変化し、内側磁性体と外側磁性体と隙間を経由して循環する磁束の大きさが内側磁性体と外側磁性体の相対回転角に依存して変化する。
この場合、内側磁性体と外側磁性体が相対回転すると、ＭＩセンサの電圧は、正弦波またはそれに近似した波形のきれいな信号となり、信号波形を演算処理して回転角に変換する数学が簡単化され、結果として比較的容易に高精度化を達成することができる。
【０００９】
ＭＩセンサが、外側磁性体に固定されていることが好ましい（請求項２）。
回転体側にＭＩセンサを設けると配線の取り出しが面倒となるのに対し、ＭＩセンサが外側磁性体に固定されていると、配線引き出しが簡単化される。
【００１０】
磁石が外側磁性体に固定されていることが好ましい（請求項３）。この場合、内側磁性体は極めて単純化される。
【００１１】
ＭＩセンサと磁石が、内側磁性体の回転中心を挟む対称位置において外側磁性体に固定されていることが好ましい（請求項４）。この場合、ＭＩセンサの出力電圧にノイズが乗りにくく、相対回転に依存して大きく変化する出力電圧が得られる。
【００１２】
本発明の回転角センサでは、内側磁性体の外形が略正ｎ角形状に形成されており、外側磁性体の内周側の３６０°／２ｎの奇数倍だけ隔てた位置に第１ＭＩセンサと第２ＭＩセンサを固定することが好ましい（請求項５，６）。
この位置関係に２つのＭＩセンサを配置した場合、一方のＭＩセンサが略正ｎ角形の外形形状を有する内側磁性体の角部に対向した状態にあるときは、他方のＭＩセンサは内側磁性体の角部と角部の間を伸びる辺の中点に対向した状態となる。従って前者のＭＩセンサがあるセンサ設置部と内側磁性体の距離は最小になる反面、後者のＭＩセンサがあるセンサ設置部と内側磁性体の距離は最大になる。２つのＭＩセンサによって得られるセンサの出力の位相差は１８０°となり、このような２種のセンサ出力に基づいて所定の演算を行えば、温度変数分をなくすことができる。即ち、温度補償を行うことが可能になる結果、温度変化に強くて極めて高精度な回転角センサを提供することができる。
【００１５】
上記した回転角センサを一対用いることで、トーションバーに作用しているトルクを測定するセンサを実現することができる。すなわち、回転軸に沿って伸びるトーションバーの一端に請求項１から６のいずれか１項の回転角センサを連結し、トーションバーの他端に請求項１から６のいずれか１項の回転角センサを連結することによってトルクセンサを実現することができる（請求項７）。
この場合一対の回転角センサによって、トーションバーの一端側の回転角と、トーションバーの他端側の回転角を検出することができ、両者の差、すなわち、トーションバーのねじれ角を検出することができ、そのねじれを発生させているトルクの大きさを測定することができる。
【００１７】
あるいは、回転軸に沿って伸びるトーションバーと、トーションバーの一端に連結されているとともに第１突起をもつ第１磁性体と、トーションバーの他端に連結されているとともに第１突起に対向する第２突起をもつ第２磁性体と、第１磁性体と第２磁性体の外側に配置された第３磁性体と、「第１磁性体と第３磁性体を循環する第１磁束」と「第１磁性体と第２磁性体と第３磁性体を循環する第２磁束」とを発生させる磁石と、第１磁束が流れる第１磁路の途中に配置された第１ＭＩセンサ、第２磁束が流れる第２磁路の途中に配置された第２ＭＩセンサとを備えたトルクセンサを構成することもできる。このトルクセンサは、トーションバーがねじれると第１突起と第２突起の対向面積が変化し、それに追随して第１ＭＩセンサの出力値と第２ＭＩセンサの出力値がともに変化する（請求項８）。
両出力値を処理することによって温度の影響を除外することができる。また、第１ＭＩセンサの出力が増大すると第２ＭＩセンサの出力が減少し、第１ＭＩセンサの出力が減少すると第２ＭＩセンサの出力が増大するために、両者の差をとることで大きな出力変化を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
後記する本発明の実施例の主要な特徴を記載する。
（形態１）内側磁性体であるロータと、外側磁性体であるステータとを備えるとともに、ロータの外形が略正方形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転角センサ。
（形態２）ステータの内周側の異なる位置に第１センサ設置部及び第２センサ設置部を突設するとともに、第１センサ設置部に第１ＭＩセンサを設置し、第２センサ設置部に第２ＭＩセンサを設置する。ロータの外形は略正方形であり、回転体の回転中心に対して第１ＭＩセンサと第２ＭＩセンサのなす角度が、４５°の奇数倍となるように設定したことを特徴とする回転角センサ。
【００１９】
【実施例】
（第１実施例）  図１は第１実施例の回転角センサ２の要部概略図を示し、図２はロータ４が図１の状態から４５°回転したときの要部概略図を示し、図３はこの回転角センサ２のセンサ出力のグラフを示している。
【００２０】
本実施例の回転角センサ２は、図１で概略的に示されるように、鉄鋼などの磁性材からなる内側磁性体であるロータ４と、同様の磁性材からなる外側磁性体であるステータ６とを備えている。ロータ４の中心部には断面円形状の固定孔８が設けられており、その固定孔８には回転角を測定する対象であるモータシャフト１０が固定されている。モータシャフト１０が回転するとロータ４も一体的に回転する。
【００２１】
ロータ４の外周側には、円環状のステータ６がモータシャフト１０とロータ４と同軸となるように配置されている。ステータ６とロータ４との間は、所定の隙間（エアギャップ）によって隔てられている。
ステータ６の内周側の所定箇所には、モータシャフト１０の回転中心Ｏに向けて伸びる突片１２が突設されている。その突片１２の先端には、永久磁石１４が設置されている。永久磁石１４は、Ｎ極を内周側に向け、Ｓ極を外周側に向けた状態で配設されている。
【００２２】
ステータ６の内周側において、モータシャフト１０を挟んで突片１２と向かい合う箇所（対称位置）には、モータシャフト１０の回転中心Ｏに向けて伸びるもう１つ突片１６が突設されている。突片１６の先端には、ＭＩセンサ１８が設置されている。
【００２３】
永久磁石１４は、磁石１４→隙間（エアギャップ）→ロータ４→隙間（エアギャップ）→ＭＩセンサ１８→突片１６→ステータ６→突片１２の順に循環する磁束を発生する。ＭＩセンサ１８は上記磁束が循環する磁路の途中にあって、循環する磁束の大きさを検出する。
【００２４】
この「ＭＩセンサ」は、先に述べたとおり、ＭＩ効果を利用した超高感度な磁気センサを指す。使用されるべきＭＩセンサ１８に関して特に限定はされないが、本実施例ではアモルファスワイヤ（組成：4%Ｆｅ68%Ｃｏ13%Ｓｉ15%Ｂ）の周囲にピックアップ手段を設けたＭＩ素子を用いている。これに加え、外部磁場を見かけ上打ち消す磁場状況を作るための打ち消し手段が設けられていてもよい。アモルファスワイヤは、ＭＩ素子とは別に設けられたパルス信号発生回路に電気的に接続されている。パルス信号発生回路は直流電源回路とチョッパ回路によって構成され、アモルファスワイヤに所定のパルス電流を出力する。また、ピックアップ手段は、ＭＩ素子とは別に設けられた信号処理回路に電気的に接続されている。ピックアップ手段によりピックアップされた電流は、信号処理回路にて処理された後にセンサ出力信号として出力されるようになっている。なお、このようなタイプのＭＩセンサ１８はパルス信号で駆動されるので、消費電力が極めて小さく、せいぜい数十ｍＷ程度である。
【００２５】
図１に示されるように、本実施例の回転角センサ２では、ロータ４の外形形状が回転対称となるように形成されており、より具体的には略正方形状となるように形成されている。ロータ４における４つの角部には、センサ出力波形が回転角に対して正弦波となるように、いくぶん丸みが設けられている。
【００２６】
突片１２の先端に設置された永久磁石１４の内端面部位と、突片１６の先端に設置されたＭＩセンサ１８の内端面部位は、ステータ６の他の部位に比べてロータ４側に近接している。永久磁石１４から出た磁束の大部分は、永久磁石１４の内側にできるエアギャップと、ＭＩセンサ１８の内側にできるエアギャップを優先的に流れるような構成となっている。即ち、永久磁石１４の内端面とロータ４の外周部との距離Ｌ１がロータとステータ間の最短距離となり、ＭＩセンサ１８の内端面とロータ４の外周部との距離Ｌ２がロータとステータ間の最短距離となる。ステータ６の残部の内形は、外側に位置しており、ロータとステータ６の残部の距離は大きい。図１と図２を対比すると明らかに、ロータとステータ間の最短距離Ｌ１，Ｌ２は、ロータとステータが相対回転するのに依存して変化する。図１に示す回転位置にロータ４があるときには、ＭＩセンサ１８はロータ４の１つの角部に対向した状態となり、永久磁石１４はロータ４の別の角部に対向した状態となる。このとき上記Ｌ１，Ｌ２の値がともに最小値となる。言い換えると２つのエアギャップがともに最小になる。その結果、前記磁路Ｒ１を流れる磁束の大きさが増加し、このときに最も大きい電圧信号がＭＩセンサ１８から出力される。図２に示す回転位置にロータ４があるときには、ＭＩセンサ１８はロータ４の一辺の中点に対向した状態となり、永久磁石１４はロータ４の別の一辺の中点に対向した状態となる。このとき上記Ｌ１，Ｌ２の値がともに最大値となる。言い換えると２つのエアギャップがともに最大値となる。その結果、前記磁路Ｒ１を流れる磁束の大きさが減少し、このときに最も小さい電圧信号がＭＩセンサ１８から出力される。
上記最短距離Ｌ１，Ｌ２と、磁路Ｒ１を流れる磁束の大きさは、ロータ４の回転に伴って９０°周期で増減する。その結果、ＭＩセンサ１８の出力電圧は、図３に示すグラフのように、相対回転角に対して９０°周期で変化する正弦波波形となる。
【００２７】
ＭＩセンサ１８の出力電圧は図示しない演算手段に入力され、所定の演算が行われる。即ち、信号電圧の最大値・最小値の出現回数と電圧値とが特定され、それらに基づいてロータ４とモータシャフト１０の回転角θ（°）が求められる。
【００２８】
さて、上記のように構成された本実施例の回転角センサ２によると、以下の作用効果を奏する。
本実施例では、磁路Ｒ１を流れる磁束の大きさを磁路Ｒ１の途上に設けたＭＩセンサ１８によって検知する。ＭＩセンサ１８の出力は磁束の大きさに応じて変化することから、このセンサ出力から回転角が検出されるようになっている。本実施例では、磁束検知手段として、従来よく用いていたコイルの代わりにＭＩセンサ１８を用いているので、高感度な回転角センサ２を提供することができる。しかも、本実施例によるとコイルの巻線が不要になる結果、比較的簡単に製造可能な回転角センサ２を提供することができる。さらに本実施例の回転角センサ２では、大型化や故障発生の原因となる検出用コイルを必須構成要素としていないため、全体の小型化が容易でありかつ信頼性に優れたものとなる。
また、本実施例の回転角センサ２では、ロータ４の回転に伴ってロータ４−ステータ６間の最短距離Ｌ１，Ｌ２を周期的に変化させるべく、ロータ４の外形が略正方形状に形成されている。略正方形は、図形の重心(ここでは回動中心Ｏと同じ)から４つの角部までの距離がみな等しく、重心から４つの辺までの距離もみな等しく、重心を中心として角部同士がなす角度も９０°と等しい等の性質を有する。従って、外形が略正方形状に形成されたロータ４が回転すると、それに伴ってロータ４とステータ６との最短距離Ｌ１，Ｌ２が９０°周期で変化する。このとき、ＭＩセンサ１８は最大出力値と最小出力値とを交互に規則的に出力することとなり、きれいな正弦波の信号波形を得ることができる。信号波形に基づいた演算処理により回転角を検出するような場合に好都合となり、結果として比較的容易に高精度化を達成することができる。
上記の回転角センサ２では、ＭＩセンサ１８が、固定側部材であるステータ６の内周側に突設されたセンサ設置部１６に設けられている。そのため、回転側であるロータ４にＭＩセンサ１８を設ける場合とは異なり、複雑な配線引き出し構造を採る必要がなくなる。従って、センサ構造の簡略化、製造コストの低減、信頼性の向上等を達成することができる。
【００２９】
（第２実施例）
次に、第２実施例の回転角センサ２２について説明する。ここでは、上記第１実施例と共通の構成については同じ部材番号を付すのみとし、その詳細な説明は割愛する。図４は、第２実施例の回転角センサ２２の要部概略図を示している。この実施例では、ステータ６側の永久磁石１４が省略されている反面、第１実施例とは構成の異なるロータ２４が用いられている。磁性材からなるこのロータ２４は、外形形状が円形状であるとともに、自身の周方向に沿って４５°ごとに磁極が変化するように着磁されている。また、突片１２は、突片１６から４５°の位置に設けられている。この場合、ステータ６の残りの３１５°の範囲は省略することができる。
この構成の場合、ロータ２４が回転したとしてもロータとステータ間の最短距離Ｌ１，Ｌ２の値は変化しない。しかし、ＭＩセンサ１８に対向する位置の磁石の極性がＮ極，Ｓ極，Ｎ極，Ｓ極…というように交互に変化する。それに同期して突片１２に対向する位置の磁石の極性がＳ極，Ｎ極，Ｓ極，Ｎ極…というように交互に変化する。ＭＩセンサ１８に対向する位置の極性と、突片１２に対向する位置の極性は反対である。
【００３０】
この構成によっても、突片１２→隙間（エアギャップＬ１）→ロータ２４→隙間（エアギャップＬ２）→ＭＩセンサ１８→突片１６→ステータ６→突片１２の順に循環する磁束の大きさを、ロータ２４の回転に伴って９０°周期で大きく変化させることができる。第１実施例のときよりも振幅の大きな正弦波からなるセンサ出力信号を得ることが可能となり、角度分解能を細かくすることができ、ひいてはさらなる高感度化を達成することができる。
また、着磁されたロータ２４は磁束を発生させる手段をも兼ねているので、第１実施例のように永久磁石１４をわざわざ設けなくてもよいという利点がある。
【００３１】
（第３実施例）
次に、第３実施例の回転角センサ３２について説明する。ここでは、上記第１実施例と共通の構成については同じ部材番号を付すのみとし、その詳細な説明は割愛する。図５は第３実施例の回転角センサ３２の要部概略図を示し、図６はセンサ出力の回転角に対する変化を表したグラフを示している。
この回転角センサ３２の場合、ステータ６の内周側における異なる位置に、第１センサ設置部である突片１６と、第２センサ設置部である突片１６ａとが突設されている。モータシャフト１０の回転中心Ｏを基準とした両突片１６，１６ａ同士のなす角度は、４５°に設定されている。そして、突片１６の先端には第１ＭＩセンサ１８が設置され、突片１８ａには第２ＭＩセンサ１８ａが設置されている。同様に、ステータ６の内周側における異なる位置に、突片１２と、第２の突片１２ａとが突設されている。モータシャフト１０の回転中心Ｏを基準とした両突片１２，１２ａ同士のなす角度は、４５°に設定されている。突片１２の先端には第１磁石１４が設置され、突片１２ａには第２磁石１４ａが設置されている。この場合、第１実施例の磁石−ＭＩセンサの組みが、４５°の関係で２組配置されている。
【００３２】
ステータ６側に設置された第２ＭＩセンサ１８ａの内端面部位は、ステータ６の他の部位（円環部）に比べて、ロータ４側に近接した状態にある。そのため、本実施例の回転角センサ３２では、永久磁石１４、１４ａから出た磁束は、第１ＭＩセンサ１８の内側にできるエアギャップと第２ＭＩセンサ１８ａの内側にできるエアギャップに分岐して流れる構成となっている。即ち、ロータ４→隙間（エアギャップＬ２）→第１ＭＩセンサ１８→突片１６→ステータ６の磁路Ｒ１の順に循環する磁束と、ロータ４→隙間（エアギャップＬ３）→第２ＭＩセンサ１８ａ→突片１６ａ→ステータ６の磁路Ｒ２の順に循環する磁束が形成される。
永久磁石１４の内端面とロータ４の外周部との距離をＬ１と、第１ＭＩセンサ１８の内端面とロータ４の外周部との距離をＬ２とし、第２ＭＩセンサ１８ａの内端面とロータ４の外周部との距離をＬ３とし、永久磁石１４ａの内端面とロータ４の外周部との距離をＬ４としている。
【００３３】
図５に示す回転位置にロータ４があるときには、第１ＭＩセンサ１８はロータ４の１つの角部に対向した状態となり、第２ＭＩセンサ１８ａはロータ４の１つの辺の中点に対向した状態となる。このときＬ２が最小値となり、Ｌ３が最大値となる。その結果、磁路Ｒ１を流れる磁束の大きさが増加し、このときに最も大きい電圧信号が第１ＭＩセンサ１８から出力される。その反面、磁路Ｒ２を流れる磁束が減少し、このときに最も小さい電圧信号が第２ＭＩセンサ１８ａから外部に出力される。
図５に示す回転位置からロータ４が４５°回転した場合には、第１ＭＩセンサ１８はロータ４の１つの辺の中点に対向した状態となり、第２ＭＩセンサ１８ａはロータ４の１つの角部に対向した状態となる。このときＬ２は最大値となり、Ｌ３は最小値となる。その結果、前記磁路Ｒ１を流れる磁束の大きさが減少し、このときに最も小さい電圧信号が第１ＭＩセンサ１８から出力される。その反面前記磁路Ｒ２を流れる磁束の大きさが増加し、このときに最も大きい電圧信号が第２ＭＩセンサ１８ａから出力される。
いずれの回転角にあっても、永久磁石１４と永久磁石１４ａの組みと、ロータ４間に形成される磁気抵抗は同じである。
２つのＭＩセンサ１８，１８ａによって得られるセンサ出力の位相差は、図６に示されるように１８０°となる。この図において実線の正弦波曲線は第１ＭＩセンサ１８の出力信号を示し、破線の正弦波曲線は第２ＭＩセンサ１８ａの信号出力を示している。２種のセンサ出力信号は図示しない演算手段に入力されるとともに、そこではこれらのセンサ出力信号に基づいて下記のような演算が行われる。
【００３４】
第１ＭＩセンサ１８の出力をＶＡ（ボルト）とし、第２ＭＩセンサ１８ａの出力をＶＢ（ボルト）とすると、ＶＡ，ＶＢはそれぞれ次式１，２で表すことができる。なお、ａは永久磁石１４、１４ａの起磁力によって決まる値であり、温度変化によってａの値も変化する、いわゆる温度変数である。
ＶＡ＝ａ＋ｓｉｎθ                                        ・・・式１
ＶＢ＝ａ＋ｓｉｎ（θ＋１８０°）                          ・・・式２
ここでＶＡとＶＢとの差をとると次式３のようになる。
ＶＡ−ＶＢ＝ｓｉｎθ−ｓｉｎ（θ＋１８０°）
＝２ｓｉｎθ                                    ・・・式３
結局は温度変数の項が消えてしまうので、ＶＡ−ＶＢの値は温度変化による影響を受けないことがわかる。従って、２つのセンサ出力から求めたＶＡ−ＶＢの値と、ＶＡ−ＶＢ値の最大値の出現回数が特定されれば、ロータ４及びモータシャフト１０の回転角θ（°）を求めることができる。
【００３５】
本実施例では、２つのセンサ出力を利用することによって、温度変数分をなくすことができる。即ち、温度補償を行うことが可能になる結果、温度変化に強くて極めて高精度な回転角センサ３２を提供することができる。しかも、このような演算を行った場合、第１実施例のときの２倍の振幅のセンサ出力信号が得られるので、分解能が細かくなり、さらなる高感度化を達成することができる。
【００３６】
（第４実施例）
次に本発明を車両の電動パワーステアリング用のトルクセンサ４２に具体化した第４実施例について説明する。なお、図７はトルクセンサ４２の概略断面図を示し、図８は図７のＡ−Ａ線における要部概略断面図を示し、図９はトルクセンサ４２の要部における部分断面図を示している。
【００３７】
図７に示されるように、このトルクセンサ４２を構成するトーションバー４４の上端には、トーションバー４４と同軸をなす中空の入力シャフト４６が連結されている。この入力シャフト４６の上部には、図示しない車両のステアリングが連結されている。一方、トーションバー４４の下端には、トーションバー４４と同軸をなす中空の出力シャフト４８が連結されている。入力シャフト４６と出力シャフト４８は、トーションバー４４のねじれに伴って相対回転する。
入力シャフト４６の外周には、磁性材からなる第１センサリング５６（第１磁性体５６）が固定されている。出力シャフト４８の外周には、磁性材からなる第２センサリング５８（第２磁性体５８）が固定されている。
図７，図９に示されるように、第１センサリング５６は、トーションバー４４を囲む円周方向に延在する環状をなしており、第１センサリング５６の下端側には櫛歯状をなす第１突起として多数の矩形状の歯部５６ａが形成されている。また、第２センサリング５８も、トーションバー４４を囲む円周方向に延在する環状をなしており、第２センサリング５８の上端側には櫛歯状をなす第２突起として多数の矩形状の歯部５８ａが形成されている。
各歯部５６ａは軸方向に間隙を有しつつ位相のずれを有して、各歯部５８ａと対向している。
トーションバー４４にねじれがない場合、各歯部５６ａの端部面積の略半分が各歯部５８ａの端面と対向している。トーションバー４４が右向きにねじれると、各歯部５６ａと各歯部５８ａの対向面積は増大し、トーションバー４４が左向きにねじれると、各歯部５６ａと各歯部５８ａの対向面積は減少する。
【００３８】
入力シャフト４６及び出力シャフト４８の外周には、ベアリング５０を介してアッパーハウジング５２及び図示しないアンダーハウジングが設けられている。アッパーハウジング５２内においては、磁性材からなる第３磁性体としての第３センサリング６０が固定されている。第３センサリング６０は、第１センサリング５６から隙間を隔てて包囲するように配設されている。さらに、第３センサリング６０は、第２センサリング５８からも隙間を隔てて包囲するように配設されている。
【００３９】
第３センサリング６０における第１センサリング５６側の領域、具体的にいうと第３センサリング６０の内周面上端部には、磁束を発生させるための手段である永久磁石６２が配設されている。なお、永久磁石６２の内端面と第１センサリング５６の外周面との間には僅かに隙間が設けられている。
第３センサリング６０の中間高さの内周面には突片７０が設けられ、その突片７０の先端には第１ＭＩセンサ６６が設置されている。第１ＭＩセンサ６６は、第１センサリング５６の外周面に近接した位置に配設されている。第３センサリング６０の内周面下端部には突片６８が設けられ、その突片６８の先端には第２ＭＩセンサ６４が設置されている。第２ＭＩセンサ６４は、第２センサリング５８の外周面に近接した位置に配設されている。
【００４０】
このように構成されたトルクセンサ４２では、図９に示されるように、２つの磁路Ｒ１，Ｒ２が形成される。第１磁路Ｒ１は、永久磁石６２→第３センサリング６０→突片７０→第１ＭＩセンサ６６→第１ＭＩセンサ６６の内側にできるエアギャップ→第１センサリング５６→永久磁石６２の内側にできるエアギャップ→永久磁石６２の経路となる。第２磁路Ｒ２は、永久磁石６２→第３センサリング６０→突片６８→第２ＭＩセンサ６４→第２ＭＩセンサ６４の内側にできるエアギャップ→第２センサリング５８→第２センサリング５８の歯部５８ａ→第２センサリング５８の歯部５８ａと第１センサリング５６の歯部５６ａ間のエアギャップ→第１センサリング５６の歯部５６ａ→第１センサリング５６→永久磁石６２の内側にできるエアギャップ→永久磁石６２の経路となる。
【００４１】
ステアリングの操作によって入力シャフト４６にトルクが伝わると、トーションバー４４にねじれが生じることにより、入力シャフト４６と出力シャフト４８との間で相対回転を生じる。これにより、第１センサリング５６及び第２センサリング５８の歯部５６ａ，５８ａ同士の対向面積が変化する。なお本実施例ではトルク無印加の初期状態のときに２つのＭＩセンサ６４，６６を通る磁束数が同程度となるように、歯部５６ａ，５８ａ同士の対向面積やエアギャップ量等があらかじめ調整されている。
【００４２】
歯部５６ａ，５８ａ同士の対向面積が増加する方向にトルクが加わると、第２ＭＩセンサ６４を通る磁束数が増加し、第１ＭＩセンサ６６を通る磁束数が減少する。この場合には、第２ＭＩセンサ６４の出力のほうが第１ＭＩセンサ６６の出力よりも大きくなる。逆に、対向面積が減少する方向にトルクが加わると、第２ＭＩセンサ６４を通る磁束数が減少し、第１ＭＩセンサ６６を通る磁束数が増加するようになる。よってこの場合には、第２ＭＩセンサ６４の出力のほうが第１ＭＩセンサ６６の出力よりも小さくなる。
【００４３】
２つのセンサ出力は演算手段に入力され、そこで所定の演算が行われる。ここでは、第１ＭＩセンサ６４のセンサ出力ＶＡと第２ＭＩセンサ６６のセンサ出力ＶＢとの差を計算し、この値（ＶＡ−ＶＢ）に基づいて入力シャフト４６と出力シャフト４８との回転角を求め、さらにその結果に基づいてそのときのトルクを計算する。
【００４４】
本実施例においても、磁界強度を検知する手段として、従来用いていたコイルの代わりにＭＩセンサ６４，６６を用いているので、高感度なトルクセンサ４２を提供することができる。しかも、コイルの巻線が不要になる結果、比較的簡単に製造可能なものとすることができる。さらに、大型化や故障発生の原因となる検出用コイルを必須構成要素としていないため、全体の小型化が容易でありかつ信頼性に優れたトルクセンサ４２とすることができる。
また、本実施例では２つのＭＩセンサ６４，６６の出力差の値（ＶＡ−ＶＢ）に基づいてトルクを検出する構成となっているため、よりいっそう高感度化なトルクセンサ４２を提供することができる。また、温度の影響を排除することもできる。
【００４５】
（第５実施例）
図７のトルクセンサから、突片７０と第１ＭＩセンサ６６を除去することができる。この場合、永久磁石６２→第３センサリング６０→突片６８→ＭＩセンサ６４→ＭＩセンサ６４の内側にできるエアギャップ→第２センサリング５８→第２センサリング５８の歯部５８ａ→第２センサリング５８の歯部５８ａと第１センサリング５６の歯部５６ａ間のエアギャップ→第１センサリング５６の歯部５６ａ→第１センサリング５６→永久磁石６２の内側にできるエアギャップ→永久磁石６２の磁路を循環する磁束の大きさがＭＩセンサ６４で計測される。計測される磁束の大きさは、第２センサリング５８の歯部５８ａと第１センサリング５６の歯部５６ａ間のエアギャップの磁気抵抗に依存し、その磁気抵抗はトーションバー４４のねじれ角に依存することから、ＭＩセンサ６４によってトーションバー４４をねじるトルクを測定することができる。
【００４６】
（第６実施例）
図１又は図４の回転角センサをトーションバーの上端と下端に設けることによってトルクセンサを構成することもできる。各回転角センサの出力から回転角を計測し、その差からトーションバーのねじれ角を計測し、そのねじれ角からトルクを計測することができる。
【００４７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
・例えば、図１０に示す別の実施例の回転角センサ７２のような構成であってもよい。この回転角センサ７２では、ステータ６の内周側における異なる位置に、第１センサ設置部である突片１６と、第２センサ設置部である突片１６ａとが突設されている。モータシャフト１０の回転中心Ｏを基準とした両突片１６，１６ａ同士のなす角度は、４５°ではなく３０°に設定されている。そして、突片１６の先端には第１ＭＩセンサ１８が設置され、突片１６ａには第２ＭＩセンサ１８ａが設置されている。一方、これに対応してロータ７４の外形形状が略正六角形状に形成されている。このような構成であっても、上記第３実施例のものと同様の作用効果を奏することができる。
なお、ロータ外形形状としては略正方形や略正六角形状のみに限定されることはなく、それ以外の略正ｎ角形状（例えば略正八角形状）を採用してもよいほか、略正ｎ多角形でない異形形状を採用することも可能である。
【００４８】
・第１実施例等においては永久磁石１４の設置位置を突片１２の先端に設定したが、これに限定されることはなく、例えばステータ６における円環部などに設定することもできる。また、ＭＩセンサ１８についても同様に、突片１８ではなくステータ６の円環部などに設置してもよい。
・ステータ６側にＭＩセンサ１８や永久磁石１４を設けた構成に代え、ロータ４側にＭＩセンサ１８や永久磁石１４を設けた構成にすることも可能である。
【００４９】
本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化した第１実施例の回転角センサの要部概略図を示す。
【図２】第１実施例のロータが図１の状態から４５°回転したときの要部概略図を示す。
【図３】第１実施例の回転角センサにおけるセンサ出力のグラフを示す。
【図４】第２実施例の回転角センサの要部概略図を示す。
【図５】第３実施例の回転角センサの要部概略図を示す。
【図６】第３実施例の回転角センサにおけるセンサ出力のグラフを示す。
【図７】第４実施例のトルクセンサの概略断面図を示す。
【図８】図７のＡ−Ａ線におけるトルクセンサの要部概略断面図を示す。
【図９】第４実施例のトルクセンサの要部における部分断面図を示す。
【図１０】別の実施例の回転角センサの要部概略図を示す。
【符号の説明】
２，２２，３２，７２，８２：回転角センサ。
４，２４，７４：内側磁性体であるロータ
６：外側磁性体であるステータ
１０：回転体であるモータシャフト
１４，６２：永久磁石
１６：第１センサ設置部である突片
１６ａ：第２センサ設置部である突片
１８，６６：第１ＭＩセンサ
１８ａ，６４：第２ＭＩセンサ
４２：トルクセンサ
４４：トーションバー
５６：第１磁性体である第１センサリング
５６ａ：第１突起である歯部
５８：第２磁性体である第２センサリング
５８ａ：第２突起である歯部
６０：第３磁性体である第３センサリング
Ｒ１，Ｒ２：磁路
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３：距離
【図１】
0004003526.tif 000002
【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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【図７】
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【図８】
0004003526.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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