JP2020100214A - ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステアリング装置の性能を向上させる。【解決手段】ステアリング装置１のハウジング１１の内部には、Ｘ方向に移動可能なラック１０が設けられ、ラック１０上には、複数のＮ極の磁性体３０Ｎおよび複数のＳ極の磁性体３０Ｓを有する磁気パターン３０が形成されている。また、ハウジング１１には、磁気センサ２０を有する磁気モジュール２１が取り付けられている。磁気パターン３０からの磁気信号を磁気センサ２０で受信することで、ラック１０の移動の変動を高精度に測定することができ、磁気センサ２０の故障を検知することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ステアリング装置に関し、特に、磁気センサを有するステアリング装置に好適に利用できるものである。

近年、自動車のような乗り物において、自動運転の実用化を促進させるため、タイヤ角（車輪の角度）を制御する必要がある。そして、タイヤ角を高精度に制御するため、タイヤ角を高精度に測定する必要がある。

例えば、特許文献１には、ステアリング装置において、ステアリングホイール（ハンドル）の回転角からタイヤ角を測定する技術が開示されている。ここでは、ステアリングホイールを回転させることで、ギアを介してラックが水平方向に移動し、このラックの水平移動がタイヤ角を変動させる。このため、ステアリングホイールの回転角を測定すれば、タイヤ角を知ることができる。

また、特許文献２には、ラック上に磁気マークを形成し、この磁気マークを磁気センサで読み取ることで、ラックが中立位置に位置することを検知する技術が開示されている。

特開２０１５−１１７００５号公報 特開２００４−１９６０４３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、ギアとラックとの間にバックラッシュが生じる。従って、ギアの回転角を測定した場合、ラックの位置を高精度に測定することができず、タイヤ角を高精度に測定することができないという問題が生じる。また、特許文献２に開示されている技術は、ラックの中立位置を検知するのみであり、タイヤ角の変動を正確に測定することができない。そこで、ステアリング装置内に、例えば磁気センサのような位置検知用の素子を配置させた際に、ラックの位置を高精度に測定する技術が求められる。

また、仮に磁気センサに故障が発生すると、ラックの位置を高精度に測定することが困難となる。そこで、安全な自動運転を実現するために、磁気センサの故障を素早く検知する技術が求められる。磁気センサの故障を検知するための従来技術の一例としては、磁気センサの周囲にコイルを配置した半導体チップを用いる方法がある。この方法では、内蔵コイルに流す電流を変えることで発生する磁界を制御し、その磁界の変化を正常に検知することが可能か否かにより、磁気センサの故障の有無が判定される。しかしながら、このような磁気センサおよび内蔵コイルを有する半導体チップは、高価であり、製造コストが増加するという問題がある。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態であるステアリング装置は、ハウジングと、ハウジングの内部に設けられ、且つ、第１方向に移動可能なラックと、ラック上に形成され、且つ、複数のＮ極の磁性体および複数のＳ極の磁性体を有する磁気パターンと、ハウジングに取り付けられ、且つ、磁気パターンからの磁気信号を検知するための磁気センサとを有する。

本願において開示される実施の形態によれば、ステアリング装置の性能を向上させることができる。

実施の形態１のステアリング装置の平面図である。 実施の形態１のステアリング装置の断面図である。 実施の形態１のステアリング装置の断面図である。 実施の形態１のステアリング装置の断面図である。 実施の形態１のステアリング装置の平面図である。 実施の形態１において磁気センサが磁気パターンからの磁気信号を受信する例を示す模式図である。 実施の形態１においてラックの位置測定および磁気センサの故障検知を実現するための機能ブロック図である。 図７における各機能ブロックに入出力される信号波形である。 実施の形態２のステアリング装置の平面図である。 実施の形態２のステアリング装置の断面図である。 実施の形態２のステアリング装置の断面図である。 実施の形態２の変形例１のステアリング装置の平面図である。 実施の形態２の変形例２のステアリング装置の断面図である。 実施の形態３のステアリング装置の平面図である。 実施の形態４において磁気センサを用いて磁気パターンを検知する例を示す模式図である。 実施の形態４のステアリング装置の平面図である。 実施の形態５のステアリング装置の平面図である。 実施の形態７のステアリング装置の断面図である。 実施の形態６のステアリング装置の断面図である。 実施の形態７のステアリング装置の平面図である。 実施の形態７のステアリング装置の断面図である。 実施の形態７において磁気センサで検知される磁気信号の合成波形である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態の自動車のような乗り物のステアリング装置１の平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図４は、図１のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。なお、図１は平面図であるが、図面を見易くするため、磁気パターン３０に含まれるＮ極の磁性体３０ＮおよびＳ極の磁性体３０Ｓにハッチングが付されている。なお、以降で説明する他の平面図でも同様に、Ｎ極の磁性体３０ＮおよびＳ極の磁性体３０Ｓにハッチングが付されている。

図１〜図３に示されるように、ステアリング装置１は、ハウジング１１、ハウジング１１の内部に設けられているラック（ロッド）１０、ラック１０上に形成された磁気パターン３０、ハウジング１１に取り付けられた磁気モジュール２１、ステアリングホイール（ハンドル）１２、および、ラック１０とステアリングホイール１２とを繋ぐシャフト１３を有する。

ステアリング装置１では、ステアリングホイール１２を回転させることで、ステアリングホイール１２に接続されているシャフト１３が回転する。詳細に図示はしていないが、シャフト１３の先端には、シャフト１３の一部の部材として歯車状のピニオンが備えられており、シャフト１３の回転によって、シャフト１３のピニオンと、ラック１０に形成されたラック歯１０Ｇとが噛み合い、ラック１０はＸ方向（ラック１０の長手方向または移動方向）に移動する。そして、ラック１０の移動によって、タイロッド２を介して、車輪３の角度が変動する。すなわち、ステアリングホイール１２の角度を変動させることで、Ｘ方向に移動可能なラック１０の位置が変動し、車輪３の角度が変動する。

例えば、本実施の形態では、ラック１０がＸ方向に±１０ｃｍ程度移動した場合、車輪３の角度の変動は±２０度程度となり、ステアリングホイール１２の角度の変動は±３３４度程度となる。また、ステアリングホイール１２の角度の誤差が±０．１度程度であった場合、ラック１０のＸ方向の位置の誤差は±３０μｍ程度となり、車輪３の角度の誤差は±０．００６度程度となる。

上述のように、自動車分野においては、自動運転の技術を向上させることが求められており、車輪３の角度を高精度に制御することが求められている。そこで、本願発明者らは、ステアリング装置１内に磁気センサ２０のような位置検知用の素子を配置することで、ラック１０の位置を高精度に測定し、車輪３の角度を高精度に測定することに着目した。特に、本願発明者らは、ステアリング装置１内に、磁気パターン３０と、複数の磁気センサ２０を有する磁気モジュール２１と備える磁気式リニアエンコーダによって、ラック１０の位置を高精度に測定することに着目した。

図１に示されるように、本実施の形態のラック１０上には、複数のＮ極の磁性体３０Ｎおよび複数のＳ極の磁性体３０Ｓを有する磁気パターン３０が形成されている。磁気パターン３０の厚さは、例えば１ｍｍである。磁気パターン３０は、ラック１０の絶対座標を検出できるアブソリュートタイプであり、粗調磁気パターン３１および微調磁気パターン３２を有する。平面視において、粗調磁気パターン３１および微調磁気パターン３２は、それぞれＸ方向に延在し、Ｘ方向と直交するＹ方向で互いに隣接するように配置されている。

本実施の形態の粗調磁気パターン３１では、Ｎ極の磁性体３０ＮおよびＳ極の磁性体３０Ｓは、ｎビットの不規則乱数コードのパターン（Ｍ系列のパターン）を構成している。なお、粗調磁気パターン３１におけるＮ極の磁性体３０ＮおよびＳ極の磁性体３０Ｓは、他のパターンであっても良い。また、本実施の形態の微調磁気パターン３２では、Ｎ極の磁性体３０ＮとＳ極の磁性体３０Ｓとが交互に配置されている。なお、本実施の形態では、粗調磁気パターン３１が７ビットであり、粗調磁気パターン３１上に７個の磁気センサ２０が設けられている場合を例示し、微調磁気パターン３２上に４個の磁気センサ２０が設けられている場合を例示している。また、各々のビット数および磁気センサ２０の数は、適宜変更することができる。

図２および図３に示されるように、磁気モジュール２１は、センサ基板２２に取り付けられた複数の磁気センサ２０を含み、各々の磁気センサ２０がハウジング１１と磁気パターン３０との間に位置するように、ハウジング１１に固定されている。すなわち、磁気モジュール２１は、ハウジング１１の一部を構成し、磁気モジュール２１に含まれている磁気センサ２０は、ハウジング１１の一部に用いられる部材として、ハウジング１１に取り付けられている。

また、各々の磁気センサ２０は、磁気パターン３０からの磁気信号を受信することができる。具体的には、ｎビットの粗調磁気パターン３１からの磁気信号を、粗調磁気パターン３１上に設けられているｎ個の磁気センサ２０によって読み取ることで、ラック１０の絶対座標をミリメートル（ｍｍ）オーダで測定することができる。また、微調磁気パターン３２からの磁気的周期信号（三角関数波長）を、微調磁気パターン３２上に設けられている複数の磁気センサ２０によって読み取ることで、粗調磁気パターン３１内におけるラック１０の相対的な座標をマイクロメートル（μｍ）オーダで測定することができる。

このように、磁気パターン３０および複数の磁気センサ２０によって、ステアリング装置１内に磁気式リニアアブソリュートエンコーダが形成されている。従って、本実施の形態では、Ｘ方向におけるラック１０の絶対座標を高精度に測定することができ、その結果から、車輪３の角度を高精度に検出することができる。すなわち、本実施の形態では、ステアリング装置１の性能を向上させることができる。

また、図２〜図４に示されるように、ラック１０は、概ね円柱状の構造を成しているが、ラック１０がシャフト１３に接続される箇所では、ラック１０に加工が施されており、複数のラック歯１０Ｇが形成されている。そして、ラック１０は、複数のラック歯１０Ｇが形成されている以外の領域において、平坦部１０ａおよび曲部１０ｂを有する。

例えば、磁気パターン３０が平坦部１０ａ上と曲部１０ｂ上とに跨って形成されている場合、磁気パターン３０から発生する磁力線の向きおよび磁力にばらつき生じ、磁気センサ２０で正しく磁気信号を検知できない恐れがある。本実施の形態では、図３に示されるように、粗調磁気パターン３１および微調磁気パターン３２を含む磁気パターン３０は、ラック１０の平坦部１０ａ上に形成されており、ラック１０の曲部１０ｂ上に形成されていない。このため、上記の恐れを抑制することができる。すなわち、磁気パターン３０の全体が、ラック１０の平坦部１０ａ上に形成されていることが望ましい。

＜磁気センサ２０の故障検知について＞
磁気式リニアアブソリュートエンコーダでは、磁気センサ２０が故障すると、ラック１０の位置を高精度に測定することが困難となる。そこで、安全な自動運転を実現するためには、磁気センサ２０の故障を素早く検知する必要がある。以下に、図６〜図９を用いて、本実施の形態のステアリング装置１において、磁気センサ２０の故障を検知する方法を説明する。

図６は、磁気センサ２０が磁気パターン３０からの磁気信号を受信する例を示す模式図である。ここでは、７ビットのＭ系列コードからなる粗調磁気パターン３１からの磁気信号を、７個の磁気センサ２０で読み取る場合について説明する。

まず、本願発明者らは、磁気センサ２０が故障している時、磁気センサ２０からの出力信号が０値または１値に固定されている場合が多いことに着目した。以下の説明では、磁気センサ２０からの異なる２つの出力信号のうち、一方が０値であり、他方が１値であるとして説明する。なお、磁気センサ２０がホールスイッチのようなセンサである場合には、出力信号として１値または−１値が出力されるが、ここでは、１値または−１値のうち、一方が０値であり、他方が１値であるとして説明する。

図６に示されるように、「移動前」の位置にあった粗調磁気パターン３１が、ラック１０の移動に伴って「移動後」の位置まで移動したとする。そして、Ｍ系列の粗調磁気パターン３１のビット数が７ビットであるとする。この場合、粗調磁気パターン３１が７ビット分移動すると、各々の磁気センサ２０は、少なくとも１つのＮ極の磁性体３０Ｎおよび少なくとも１つのＳ極の磁性体３０Ｓからの磁気信号を受信するので、各々の磁気センサ２０は、０値および１値の両方を少なくとも１回検知することになる。

そこで、本実施の形態では、粗調磁気パターン３１のビット数とビット間隔との積の距離をラック１０が動く間に、各々の磁気センサ２０が、０値および１値の両方を少なくとも１回検知するか否かを以て、各磁気センサ２０が故障しているか否かを判定する。すなわち、磁気センサ２０が０値および１値の両方を出力した場合、その磁気センサ２０は正常であると判定され、磁気センサ２０が０値または１値の何れか一方のみを出力した場合、その磁気センサ２０は故障であると判定される。

ここで、粗調磁気パターン３１のビット数とビット間隔との積の距離をラック１０が移動したか否かは、自動車に取り付けられた他の車載センサからの出力信号を用いることで、判定することができる。そのような他の車載センサとしては、例えば、角速度センサ、モータ角センサ、車***置測定カメラまたはＧＰＳなどが挙げられる。このような構成によれば、磁気センサ２０および内蔵コイルを有する半導体チップを用いなくても、磁気センサ２０の故障を検知することができる。

図７は、実施の形態１において、ラック１０の位置測定および磁気センサ２０の故障検知を実現するための機能ブロック図であり、図８は、図７における各機能ブロックに入出力される信号波形を示している。なお、図７および図８に示される各信号は、電圧レベルで示されている。また、図７に示される出力読取器５０、０／１判定器５１、第１レジスタ５２、ＸＯＲ判定器５３、ラッチ判断器５４、第２レジスタ５５、出力読取器５６およびＡＤＣ（アナログ・デジタル・コンバータ）５７は、それぞれ、磁気センサ２０に電気的に接続された他の半導体チップの内部に形成されている電気回路である。そして、このような半導体チップは、磁気センサ２０と共に磁気モジュール２１の内部に搭載されていてもよいし、磁気モジュール２１の外部に取り付けられているＥＣＵ（Electronic Control Unit）の内部に搭載されていてもよい。

まず、粗調磁気パターン３１のうちＮ極の磁性体３０ＮまたはＳ極の磁性体３０Ｓの何れかからの磁気信号を、磁気センサ２０が受信する。受信を行った磁気センサ２０は、センサ出力信号Ｖｓを出力読取器５０へ出力する。

次に、出力読取器５０は、読取クロック信号ＣＬＫｒに従って、センサ出力信号Ｖｓの値（ハイレベルＶ_ＨまたはローレベルＶ_Ｌ）を読取る。その後、読取出力信号Ｖｒの値（ハイレベルＶ_Ｈ、ローレベルＶ_Ｌまたはゼロレベル）を、出力読取器５０から０／１判定器５１へ出力する。

次に、０／１判定器５１は、読取クロック信号ＣＬＫｒに従って０値または１値の判定を行い、この判定結果を０／１判定出力信号ＶｄｉｇとしてＡＤＣ５７に渡し、ＡＤＣ５７においてラック１０の位置の算出が行われる。

一方で、微調磁気パターン３２からの磁気的周期信号（三角関数波長）を、微調磁気パターン３２上に設けられている複数の磁気センサ２０によって読み取る。読み取りを行った磁気センサ２０は、出力信号を出力読取器５６へ出力し、この出力信号はＡＤＣ５７へ送られる。そして、この結果を、粗調磁気パターン３１側で算出されたラック１０の位置に統合することで、粗調磁気パターン３１内におけるラック１０の相対的な座標を測定することができる。

以上のステップは、主に、ラック１０の位置の測定に関するが、以降のステップによって、磁気センサ２０の故障検知が行われる。

０／１判定器５１は、読取クロック信号ＣＬＫｒに従って０／１判定出力信号ＶｄｉｇをＸＯＲ判定器５３へ送る。また、０／１判定器５１は、測定開始信号Ｔｓに従って、０値または１値の判定結果を第１レジスタ入力信号Ｖｒｅｇ１＿ｉｎとして第１レジスタ５２へ送る。

次に、第１レジスタ５２は、読取クロック信号ＣＬＫｒに従って、第１レジスタ入力信号Ｖｒｅｇ１＿ｉｎの値を有する第１レジスタ出力信号Ｖｒｅｇ１＿ｏｕｔをＸＯＲ判定器５３へ送る。

次に、ＸＯＲ判定器５３は、０／１判定出力信号Ｖｄｉｇおよび第１レジスタ出力信号Ｖｒｅｇ１＿ｏｕｔから、０値または１値を判定する。ＸＯＲ判定器５３において、０／１判定出力信号Ｖｄｉｇと第１レジスタの出力信号Ｖｒｅｇ１＿ｏｕｔとが等しい場合には、判定結果が０値となり、基準電圧Ｖｓｓが、ＸＯＲ判定出力信号Ｖｘｏｒとしてラッチ判断器５４へ出力される。また、ＸＯＲ判定器５３において、０／１判定出力信号Ｖｄｉｇと第１レジスタの出力信号Ｖｒｅｇ１＿ｏｕｔとが異なる場合は、判定結果が１値となり、電源電圧Ｖｄｄが、ＸＯＲ判定出力信号Ｖｘｏｒとしてラッチ判断器５４へ出力される。

次に、ラッチ判断器５４は、読取クロック信号ＣＬＫｒに従って、第２レジスタ入力信号Ｖｒｅｇ２＿ｉｎを第２レジスタ５５へ出力する。ここで、ラッチ判断器５４に入力する信号であるＸＯＲ判定出力信号Ｖｘｏｒが１値（基準電圧Ｖｓｓ）となった段階で、第２レジスタ入力信号Ｖｒｅｇ２＿ｉｎの値は、以後のＸＯＲ判定出力信号Ｖｘｏｒの値の結果に関わらず、基準電圧Ｖｓｓに固定される。

次に、第２レジスタ５５は、判定終了信号Ｔｅに従って第２レジスタ入力信号Ｖｒｅｇ２＿ｉｎを読取り、第２レジスタ入力信号Ｖｒｅｇ２＿ｉｎの値を有する第２レジスタ出力信号Ｖｒｅｇ２＿ｏｕｔを出力する。ここで、第２レジスタ出力信号Ｖｒｅｇ２＿ｏｕｔが１値（基準電圧Ｖｓｓ）の場合、磁気センサ２０は正常であると判定され、第２レジスタ出力信号Ｖｒｅｇ２＿ｏｕｔが０値（電源電圧Ｖｄｄ）の場合、磁気センサ２０は異常であると判定される。

以上の動作を、他のＮ極の磁性体３０Ｎまたは他のＳ極の磁性体３０Ｓの各々に対応する磁気センサ２０に対して行うことで、全ての磁気センサ２０が故障しているか否かの判定を行うことができる。

なお、判定終了信号Ｔｅは、角速度センサ、モータ角センサ、車***置測定カメラ、またはＧＰＳなどのような他の車載センサによって、測定開始信号Ｔｓ出力時よりもラック１０が粗調磁気パターン３１のビット数とビット間隔との積の距離を移動した、と判定された場合に出力される。

また、上記の説明は、粗調磁気パターン３１に用いられる磁気センサ２０の故障を判定する場合について行ったが、微調磁気パターン３２に用いられる磁気センサ２０の故障を判定する場合についても、同様の手法で行うことができる。

以上のように、本実施の形態のステアリング装置１では、粗調磁気パターン３１および微調磁気パターン３２を有する磁気パターン３０と、磁気センサ２０とを用いることで、ラック１０の位置の変動を高精度に測定することができ、磁気センサ２０の故障の有無を低コストで判定することができる。

また、図５に示されるように、ラック１０が初期位置に位置している場合、Ｘ方向において、磁気パターン３０の中央と、磁気モジュール２１の中央とを一致させてもよい。図５では、これらが一致している中央は、中央４０として示されている。

なお、ここで説明している「ラック１０が初期位置に位置している場合」とは、ステアリングホイール１２が初期位置に位置している場合であり、ステアリングホイール１２が操舵されず、車輪３の角度がゼロ度の場合である。また、「車輪３の角度がゼロ度」とは、車輪３の向きが、Ｙ方向と粗平行であり、自動車の前方向に直進できる状態を意味する。例えば、「車輪３の角度が１０度」とは、車輪３の向きがＹ方向と平行な方向から１０度傾いている状態を意味する。

このような車輪３の角度がゼロ度の状態は、自動車を実際に運転する際に頻繁に起こり得る状態である。使用頻度の高い車輪３の角度がゼロ度の状態において、磁気パターン３０の中央４０が、磁気モジュール２１の中央４０と一致していることにより、磁気パターン３０の位置と磁気モジュール２１の位置とが近いので、ラック１０の位置の変動を迅速に測定することができ、磁気センサ２０の故障の検知を迅速に行うことができる。

また、ラック１０が初期位置に位置している場合に、磁気パターン３０の中央４０と、磁気モジュール２１の中央４０とが必ずしも一致していなくともよい。すなわち、平面視において、磁気パターン３０の中央４０が、少なくとも磁気モジュール２１の一部と重なっていればよい。言い換えれば、平面視において、磁気パターン３０の中央４０は、磁気モジュール２１とオーバーラップしていればよい。このような場合でも、使用頻度の高い車輪３の角度がゼロ度の状態で、ラック１０の位置の変動を迅速に測定することができ、磁気センサ２０の故障の検知を迅速に行うことができる。

しかしながら、磁気センサ２０の故障の検知に最も有効であるのは、上述のように、磁気パターン３０の中央４０が、磁気モジュール２１の中央４０と一致している状態である。

また、自動車が停車した状態において、ラック１０が移動していた場合でも、ラック１０が初期位置に戻るように、アクチュエータを制御してもよい。すなわち、アクチュエータによって、磁気パターン３０の中央４０が磁気モジュール２１とオーバーラップするように、磁気パターン３０の位置を調整してもよい。この場合、次回の自動車の発車時に、ラック１０の位置の変動を更に迅速に測定することができ、磁気センサ２０の故障の検知を更に迅速に行うことができる。

（実施の形態２）
以下に、実施の形態２のステアリング装置１を、図９〜図１１を用いて説明する。図９〜図１１は、それぞれ実施の形態１の図１〜図３に対応する図面である。なお、以下では、実施の形態１との相違点を主に説明する。

図９〜図１１に示されるように、実施の形態２では、ラック１０と磁気パターン３０との間に、非磁性体膜３３が設けられている。すなわち、ラック１０と粗調磁気パターン３１との間、および、ラック１０と微調磁気パターン３２との間に、非磁性体膜３３が設けられている。

例えば、ラック１０が、強磁性体によって構成されている場合であっても、非磁性体膜３３が設けられていることによって、磁気パターン３０から発生する磁気信号を磁気センサ２０によって読み取る際に、ラック１０から発生する磁気信号の影響を抑制することができる。従って、このため、ラック１０の位置を高精度に測定することができる。

非磁性体膜３３は、例えば樹脂材料からなり、ガラス繊維を含む樹脂であってもよい。ガラス繊維を含む樹脂は線膨張係数が低いので、環境温度の変化によって、非磁性体膜３３の形状が変化する恐れが低い。このため、非磁性体膜３３の上に形成される磁気パターン３０の形状がばらつくなどの不具合を抑制することができるので、ラック１０の位置を高精度に測定することができる。

また、非磁性体膜３３を構成する樹脂材料は、弾性材料であっても良い。その場合、線膨張係数の違いによって、ラック１０と磁気パターン３０との間に応力が生じても、磁気パターン３０が破損するなどの不具合を防止することができる。

また、磁気センサ２０が配置されるセンサ基板２２が、非磁性体膜３３と同じ樹脂材料で形成されている場合、センサ基板２２および非磁性体膜３３の各々の線膨張係数が等しくなるので、環境温度の変化によって、互いの間に応力が生じないという効果が得られる。

また、非磁性体膜３３の面積は、磁気パターン３０の面積よりも大きい。具体的には、非磁性体膜３３上には、粗調磁気パターン３１および微調磁気パターン３２が設けられているが、非磁性体膜３３の面積は、粗調磁気パターン３１の面積と微調磁気パターン３２の面積との和よりも大きい。また、平面視において、非磁性体膜３３は、磁気パターン３０を内包するように配置されていることが好ましい。言い換えれば、磁気パターン３０の一部が、非磁性体膜３３からはみ出し、ラック１０上に形成されないように、磁気パターン３０とラック１０との間に非磁性体膜３３が形成されていることが好ましい。

仮に、ラック１０が強磁性体からなり、非磁性体膜３３の面積が磁気パターン３０の面積より小さい場合、磁気センサ２０が磁気パターン３０から読み取る磁気信号が、ラック１０から発生する磁気信号の影響を受ける恐れがあるため、ラック１０の位置の検出精度が低下する恐れがある。従って、非磁性体膜３３の面積が、磁気パターン３０の面積よりも大きいことで、このような恐れを抑制することができる。

また、非磁性体膜３３は、ラック１０全体に形成されておらず、ラック１０の一部に形成されている。具体的には、非磁性体膜３３は、ラック１０の曲部１０ｂに設けられておらず、ラック１０の平坦部１０ａに選択的に設けられている。このため、Ｘ方向において、非磁性体膜３３の長さは、ラック１０の長さよりも短い。

実施の形態２におけるＢ−Ｂ断面は、図１１に示されているが、実施の形態２におけるＣ−Ｃ断面は、実施の形態１の図４と同じである。このように、非磁性体膜３３を曲部１０ｂではなく平坦部１０ａに設けることで、非磁性体膜３３の設置が容易となる。

（実施の形態２の変形例１）
以下に、実施の形態２の変形例１のステアリング装置１を、図１２を用いて説明する。なお、以下では、実施の形態２との相違点を主に説明する。

図１２に示されるように、変形例１では、非磁性体膜３３を貫通し、ラック１０の内部に到達する固定ピン６０が設けられている。固定ピン６０によって非磁性体膜３３がラック１０に固定されていることで、環境温度の変化があったとしても、ラック１０の膨張係数と非磁性体膜３３の膨張係数との差による歪が、非磁性体膜３３に発生しないため、ラック１０の位置をより高精度に測定することができる。

また、固定ピン６０は、Ｘ方向における非磁性体膜３３の中央４１に設けられており、非磁性体膜３３の両端部には固定ピン６０は設けられていない。仮に、固定ピン６０を非磁性体膜３３の端部に設けた場合、膨張によって非磁性体膜３３の形状がΔＬ分だけ変形したとする。固定ピン６０が非磁性体膜３３の中央４１に設けられていることによって、膨張によって非磁性体膜３３の形状の変動は、非磁性体膜３３の両端部で発生し、両端部における各々の非磁性体膜３３の形状は、ΔＬ／２分だけ変形する。従って、仮に、非磁性体膜３３が変形したとしても、磁気パターン３０と磁気センサ２０との位置ずれを最小限にすることができる。

更に、実施の形態１で説明したような、使用頻度の高いラック１０の位置が初期位置である状態（車輪３の角度がゼロ度の状態）において、磁気パターン３０の中央４０が磁気センサ２０とオーバーラップしていることが望ましく、磁気パターン３０および磁気センサ２０の各々の中央４０が、非磁性体膜３３の中央４１と一致していることがより望ましい。このため、変形例１のように、固定ピン６０を用いて、中央４１付近における非磁性体膜３３の形状の変動が小さくなることによって、磁気センサ２０は、磁気パターン３０からの磁気信号をより高精度に測定することができる。

（実施の形態２の変形例２）
以下に、実施の形態２の変形例２のステアリング装置１を、図１３を用いて説明する。なお、以下では、実施の形態２との相違点を主に説明する。

図１３に示されるように、変形例２では、粗調磁気パターン３１および微調磁気パターン３２を含む磁気パターン３０が、磁気センサ２０に対向する磁気パターン３０の表面が露出するように、非磁性体膜３３の内部に埋め込まれている。すなわち、粗調磁気パターン３１および微調磁気パターン３２の各々の表面が露出するように、粗調磁気パターン３１および微調磁気パターン３２の各々の側面および底面は、非磁性体膜３３によって覆われている。

このような構造は、磁気パターン３０と非磁性体膜３３とを一体成型することで製造できる。例えば、凹部が形成されている非磁性体膜３３を用意し、凹部内に粉末状の磁性体を埋め込み、その後、熱処理を施すことで、非磁性体膜３３の凹部内に埋め込まれた磁気パターン３０を形成することができる。これによって、製造コストを低下させることができる。

また、実施の形態２の磁気パターン３０は、例えば非磁性体膜３３上にシールとして張り合わせることもできるが、その場合、粗調磁気パターン３１と微調磁気パターン３２との間の間隔を精度良く合わせることが難しいという問題がある。また、このように形成された磁気パターン３０は、割れ易いという問題もある。変形例２のように、非磁性体膜３３の凹部内に磁気パターン３０を埋め込むことで、磁気パターン３０がシール状であった場合と比較して、これらの問題を抑制することができる。

なお、変形例２で説明した技術に、変形例１で説明した技術を適宜組み合わせて適用することもできる。

（実施の形態３）
以下に、実施の形態３のステアリング装置１を、図１４を用いて説明する。なお、以下では、実施の形態１との相違点を主に説明する。

実施の形態３では、アブソリュートタイプの磁気パターン３０として、バーニア型のパターンが用いられている。

図１４に示されるように、ラック１０上には、磁気パターン３０として、バーニア型磁気パターン３４およびバーニア型磁気パターン３５の２つのパターンが設けられている。平面視において、バーニア型磁気パターン３４およびバーニア型磁気パターン３５は、それぞれＸ方向に延在し、Ｘ方向と直交するＹ方向で互いに隣接するように配置されている。

バーニア型磁気パターン３４では、Ｎ極の磁性体３０ＮとＳ極の磁性体３０Ｓとが交互に配置されており、Ｘ方向において、Ｎ極の磁性体３０Ｎの長さＬ１は、Ｓ極の磁性体３０Ｓの長さＬ１と等しい。バーニア型磁気パターン３５では、Ｎ極の磁性体３０ＮとＳ極の磁性体３０Ｓとが交互に配置されており、Ｘ方向において、Ｎ極の磁性体３０Ｎの長さＬ２は、Ｓ極の磁性体３０Ｓの長さＬ２と等しい。ここで、長さＬ１は、長さＬ２と異なっており、長さＬ２よりも長い。

実施の形態３では、バーニア型磁気パターン３４およびバーニア型磁気パターン３５から発生する磁気信号の各々は、異なる長さの波長を有し、磁気センサ２０で測定される。そして、各々の磁気センサ２０において測定された磁気信号の波長の位相の違いから、ラック１０が移動した位置を求めることができる。このようなバーニア型の磁気パターン３０を用いた構成によっても、ラック１０位置を高精度に測定することができ、磁気センサ２０の故障の検知を行うことができる。

また、ラック１０の位置が初期位置である状態において、磁気パターン３０の中央４０が磁気モジュール２１とオーバーラップしていることが望ましく、磁気パターン３０の中央４０が、磁気モジュール２１の中央４０と一致していることが望ましい。そして、バーニア型磁気パターン３４におけるＮ極の磁性体３０ＮとＳ極の磁性体３０Ｓとの境界、および、バーニア型磁気パターン３５におけるＮ極の磁性体３０ＮとＳ極の磁性体３０Ｓとの境界が、中央４０に位置していることが、最も望ましい。このようにバーニア型磁気パターン３４およびバーニア型磁気パターン３５を配置することで、磁気センサ２０は、磁気パターン３０からの磁気信号をより高精度に測定することができる。

なお、実施の形態３で説明した技術に、実施の形態２で説明した技術を適宜組み合わせて適用することもできる。

（実施の形態４）
以下に、実施の形態４のステアリング装置１を、図１５および図１６を用いて説明する。なお、以下では、実施の形態１との相違点を主に説明する。

実施の形態４では、磁気センサ２０の故障を検知するために、実施の形態１と同じＭ系列の粗調磁気パターン３１を用いるが、粗調磁気パターン３１のうち、実施の形態１とは異なる領域を用いる。また、ここでの検知方法は、ラック１０が２ビット分移動した際に、磁気センサ２０の故障を検知することができる方法である。

Ｍ系列の粗調磁気パターン３１は、Ｎ極の磁性体３０ＮとＳ極の磁性体３０Ｓとがランダムに配置された第１粗調磁気領域３１ａ、および、第１粗調磁気領域３１ａに接続され、且つ、Ｎ極の磁性体３０ＮとＳ極の磁性体３０Ｓとが交互に配置された第２粗調磁気領域３１ｂが設けられている。例えば、Ｍ系列の粗調磁気パターン３１が７ビットである場合、粗調磁気パターン３１には、「０１０１０１０」または「１０１０１０１」となる領域が存在する。図１５では、このような領域が第２粗調磁気領域３１ｂとして示されている。

このため、第２粗調磁気領域３１ｂにおいて、各々の磁気センサ２０では、０値および１値が交互に検知される。すなわち、ラック１０が２ビット分移動した際に、全ての磁気センサ２０は、一対のＮ極の磁性体３０ＮおよびＳ極の磁性体３０Ｓからの磁気信号によって、０値および１値の両方を検知することになるので、磁気センサ２０の故障の検知を迅速に行うことができる。

また、図１６に示されるように、ラック１０が初期位置に位置している場合、平面視において、第２粗調磁気領域３１ｂの一部が、少なくとも磁気モジュール２１の一部と重なっていることが望ましい。言い換えれば、平面視において、第２粗調磁気領域３１ｂは、磁気モジュール２１とオーバーラップしていることが望ましい。そして、Ｘ方向において、第２粗調磁気領域３１ｂの中央と、磁気モジュール２１の中央とを一致させることが最も望ましい。図１６では、これらが一致している中央は、中央４２として示されている。このようにして、磁気センサ２０の故障の検知を迅速に行うことができる。

なお、実施の形態４で説明した技術に、実施の形態２および実施の形態３で説明した技術を適宜組み合わせて適用することもできる。

（実施の形態５）
以下に、実施の形態５のステアリング装置１を、図１７および図１８を用いて説明する。図１８は、図１７に示されるＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、以下では、実施の形態１との相違点を主に説明する。

図１７および図１８に示されるように、実施の形態５では、ラック１０が初期位置に位置している場合、Ｘ方向において、磁気パターン３０および磁気モジュール２１が、ラック１０の中央４３を跨ぐように配置されている。すなわち、平面視において、磁気パターン３０の一部および磁気モジュール２１の一部が、Ｘ方向におけるラック１０の中央４３と重なっている。このように磁気パターン３０および磁気モジュール２１を配置したことによって、ラック１０の位置の測定をより高精度に行うことができる。

なお、実施の形態５で説明した技術に、実施の形態２〜４で説明した技術を適宜組み合わせて適用することもできる。

（実施の形態６）
以下に、実施の形態６のステアリング装置１を、図１９を用いて説明する。なお、以下では、実施の形態１との相違点を主に説明する。

図１９に示されるように、実施の形態６では、磁気パターン３０および磁気モジュール２１が、Ｘ方向において、複数のラック歯１０Ｇが形成されているラック歯形成領域４４の中央４５を跨ぐように配置されている。すなわち、平面視において、磁気パターン３０の一部および磁気モジュール２１の一部が、Ｘ方向におけるラック歯形成領域４４の中央４５と重なっている。このように磁気パターン３０および磁気モジュール２１を配置したことによっても、ラック１０の位置の測定をより高精度に行うことができる。

また、ラック歯形成領域４４の中央４５付近には、シャフト１３が設けられている。そして、シャフト１３の形状に合わせて、ハウジング１１の一部が加工されている。一方で、磁気モジュール２１は、ハウジング１１の一部として設けられている。従って、ハウジング１１のうち加工が施される領域を近づけることで、ハウジング１１の他の領域を加工する必要がない。例えば、シャフト１３および磁気モジュール２１が形成される領域となるハウジング１１の一部を先に製造しておき、ラック１０に沿って平行となるハウジング１１の他部を後で製造し、その後、これらを接合させてハウジング１１を形成することもできる。このような場合に、実施の形態６の技術を用いれば、ステアリング装置１の製造が容易となる。

なお、実施の形態６で説明した技術に、実施の形態２〜５で説明した技術を適宜組み合わせて適用することもできる。例えば、上記実施の形態で示したラックの中央４３およびラック歯形成領域の中央４５が一致するような形態として、ステアリングホイール１２およびシャフト１３がラック１０の中央４３付近に配置された一人乗り用の自動車が挙げられる。

（実施の形態７）
以下に、実施の形態７のステアリング装置１を、図２０〜図２２を用いて説明する。図２１は、図２０に示されるＡ−Ａ線に沿った断面図である。なお、以下では、実施の形態１との相違点を主に説明する。

実施の形態７では、磁気パターン３０は、粗調磁気パターン３１および微調磁気パターン３２とは別の磁気パターンであって、且つ、磁気センサ２０用の異常検出用パターン３１ｃを有する。

この異常検出用パターン３１ｃは、粗調磁気パターン３１と同様にＮ極の磁性体３０ＮとＳ極の磁性体３０Ｓとが交互に配置された構造を成す。しかし、Ｘ方向において、異常検出用パターン３１ｃのＮ極の磁性体３０ＮおよびＳ極の磁性体３０Ｓの各々の長さは、粗調磁気パターン３１のＮ極の磁性体３０ＮおよびＳ極の磁性体３０Ｓの各々の長さよりも短い。すなわち、異常検出用パターン３１ｃのピッチは、粗調磁気パターン３１のピッチよりも短い。

図２０および図２１に示されるように、実施の形態７では、異常検出用パターン３１ｃが、粗調磁気パターン３１の表面に形成されている。このような異常検出用パターン３１ｃは、例えば、粗調磁気パターン３１の表面の磁性を変化させることによって、形成することができる。

図２２は、実施の形態７において磁気センサ２０で検知される磁気信号の波形を示している。図２２に示されている波形は、粗調磁気パターン３１からの磁気信号の波形と、異常検出用パターン３１ｃの磁気信号の波形とを重ね合わせた合成波形の一例であり、例えばセンサ出力信号Ｖｓの波形と、異常検出用パターン３１ｃの磁気信号の波形との合成波形である。ここでは、粗調磁気パターン３１からの磁気信号の波形と、粗調磁気パターン３１からの磁気信号の波形のピッチよりも短いピッチを有する凹凸型の波形とが重ね合わされている。言い換えれば、このような合成波形は、粗調磁気パターン３１から発生し、且つ、長い波長を有する第１波形に、異常検出用パターン３１ｃから発生し、且つ、第１波形よりも短い波長を有する第２波形が合成された波形である。

例えば、ある磁気センサ２０が、このような合成波形の磁気信号のうち、ピッチの短い凹部および凸部の両方を検知した場合、この磁気センサ２０は故障していないと判断される。実施の形態７では、このような合成波形の磁気信号を用いることで、ラック１０の移動距離が非常に短く、粗調磁気パターン３１からの磁気信号のみでは検知が難しかった場合でも、磁気センサ２０の故障の検知を迅速に行うことができる。

また、実施の形態７では、異常検出用パターン３１ｃが、粗調磁気パターン３１の表面全体に形成されている例を示したが、異常検出用パターン３１ｃは、粗調磁気パターン３１の表面の一部に形成されていてもよい。また、異常検出用パターン３１ｃは、微調磁気パターン３２にも形成されていてもよい。また、異常検出用パターン３１ｃは、粗調磁気パターン３１および微調磁気パターン３２と異なる領域に形成されていてもよい。例えば、粗調磁気パターン３１と微調磁気パターン３２との間の領域に、異常検出用パターン３１ｃが独立して形成されていてもよい。

なお、実施の形態７で説明した技術に、実施の形態２〜６で説明した技術を適宜組み合わせて適用することもできる。

以上、本発明を実施するための形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１ ステアリング装置
２ タイロッド
３ 車輪
１０ ラック
１０ａ 平坦部
１０ｂ 曲部
１０Ｇ ラック歯
１１ ハウジング
１２ ステアリングホイール
１３ シャフト
２０ 磁気センサ
２１ 磁気モジュール
２２ センサ基板
３０ 磁気パターン
３０Ｎ Ｎ極の磁性体
３０Ｓ Ｓ極の磁性体
３１ 粗調磁気パターン
３１ａ 第１粗調磁気領域
３１ｂ 第２粗調磁気領域
３１ｃ 異常検出用パターン
３２ 微調磁気パターン
３３ 非磁性体膜
３４ バーニア型磁気パターン
３５ バーニア型磁気パターン
４０ 磁気パターンの中央および磁気モジュールの中央
４１ 非磁性体膜の中央
４２ 第２パターンの中央および磁気モジュールの中央
４３ ラックの中央
４４ ラック歯形成領域
４５ ラック歯形成領域の中央
５０ 出力読取器
５１ ０／１判定器
５２ 第１レジスタ
５３ ＸＯＲ判定器
５４ ラッチ判断器
５５ 第２レジスタ
５６ 出力読取器
５７ ＡＤＣ
６０ 固定ピン
ＣＬＫｒ クロック信号
Ｔｓ 判定開始信号
Ｔｅ 判定終了信号
Ｖｄｉｇ ０／１判定出力信号
Ｖｒ 読取出力信号
Ｖｒｅｇ１＿ｉｎ 第１レジスタ入力信号
Ｖｒｅｇ１＿ｏｕｔ 第１レジスタ出力信号
Ｖｒｅｇ２＿ｉｎ 第２レジスタ入力信号
Ｖｒｅｇ２＿ｏｕｔ 第２レジスタ出力信号
Ｖｓ センサ出力信号
Ｖｘｏｒ ＸＯＲ判定出力信号

Claims (15)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングの内部に設けられ、且つ、第１方向に移動可能なラックと、
   前記ラック上に形成され、且つ、複数のＮ極の磁性体および複数のＳ極の磁性体を有する磁気パターンと、
   前記ハウジングに取り付けられ、且つ、前記磁気パターンからの磁気信号を検知するための磁気センサと、
   を有する、ステアリング装置。
2. 請求項１に記載のステアリング装置において、
   前記ラックは、少なくとも平坦部を有し、
   前記磁気パターンは、前記ラックの前記平坦部に形成されている、ステアリング装置。
3. 請求項１に記載のステアリング装置において、
   前記ラックと前記磁気パターンとの間に、非磁性体膜を更に有する、ステアリング装置。
4. 請求項３に記載のステアリング装置において、
   前記非磁性体膜の面積は、前記磁気パターンの面積よりも大きく、
   平面視において、前記磁気パターンは、前記非磁性体膜に内包されている、ステアリング装置。
5. 請求項３に記載のステアリング装置において、
   前記非磁性体膜を貫通し、且つ、前記ラックの内部に到達する固定ピンを更に有する、ステアリング装置。
6. 請求項３に記載のステアリング装置において、
   前記磁気パターンは、前記磁気センサに対向する前記磁気パターンの表面が露出するように、前記非磁性体膜の内部に埋め込まれている、ステアリング装置。
7. 請求項１に記載のステアリング装置において、
   前記磁気センサが、少なくとも１つの前記Ｎ極の磁性体および少なくとも１つの前記Ｓ極の磁性体からの磁気信号を受信した後、前記磁気センサが０値および１値の両方を出力した場合、前記磁気センサは正常であると判定され、前記磁気センサが０値または１値の何れか一方のみを出力した場合、前記磁気センサは故障であると判定される、ステアリング装置。
8. 請求項７に記載のステアリング装置において、
   前記磁気パターンは、前記複数のＮ極の磁性体および前記複数のＳ極の磁性体がＭ系列のパターンを構成している第１パターンと、平面視で前記第１方向と直交する第２方向において前記第１パターンと隣接するように配置され、且つ、前記Ｎ極の磁性体および前記Ｓ極の磁性体が交互に配置されている第２パターンとを有する、ステアリング装置。
9. 請求項８に記載のステアリング装置において、
   前記第１パターンは、前記複数のＮ極の磁性体および前記複数のＳ極の磁性体がランダムに配置されている第１領域と、前記第１領域に接続され、且つ、前記Ｎ極の磁性体および前記Ｓ極の磁性体が交互に配置されている第２領域とを有し、
   前記磁気センサが正常であるか故障であるかの判定は、前記第１領域の一対の前記Ｎ極の磁性体および前記Ｓ極の磁性体からの磁気信号によって行われる、ステアリング装置。
10. 請求項９に記載のステアリング装置において、
    前記ハウジングに取り付けられ、且つ、複数の前記磁気センサを含む磁気モジュールを更に有し、
    前記ラックが初期位置に位置している場合、平面視において、前記第１領域の中央が、前記磁気モジュールの一部と重なっている、ステアリング装置。
11. 請求項８に記載のステアリング装置において、
    前記磁気パターンは、前記第１パターンおよび前記第２パターンとは異なり、且つ、前記Ｎ極の磁性体および前記Ｓ極の磁性体が交互に配置されている第３パターンを有し、
    前記第１方向において、前記第３パターンにおける前記Ｎ極の磁性体および前記Ｓ極の磁性体の各々の長さは、前記第１パターンにおける前記Ｎ極の磁性体および前記Ｓ極の磁性体の各々の長さよりも短く、
    前記磁気センサが正常であるか故障であるかの判定は、前記第１パターンからの磁気信号の波形と、前記第３パターンからの磁気信号の波形との合成波形によって行われる、ステアリング装置。
12. 請求項７に記載のステアリング装置において、
    前記磁気パターンは、前記Ｎ極の磁性体および前記Ｓ極の磁性体が交互に配置されている第４パターンおよび第５パターンを有し、
    前記第４パターンは、平面視で前記第１方向と直交する第２方向において、前記第５パターンと隣接するように配置され、
    前記第１方向において、前記第４パターンにおける前記Ｎ極の磁性体および前記Ｓ極の磁性体の各々の長さは、前記第５パターンにおける前記Ｎ極の磁性体および前記Ｓ極の磁性体の各々の長さよりも長い、ステアリング装置。
13. 請求項１に記載のステアリング装置において、
    前記ハウジングに取り付けられ、且つ、複数の前記磁気センサを含む磁気モジュールを更に有し、
    前記ラックが初期位置に位置している場合、平面視において、前記磁気パターンの中央が、前記磁気モジュールの一部と重なっている、ステアリング装置。
14. 請求項１に記載のステアリング装置において、
    前記ハウジングに取り付けられ、且つ、複数の前記磁気センサを含む磁気モジュールを更に有し、
    前記ラックが初期位置に位置している場合、平面視において、前記磁気パターンの一部および前記磁気モジュールの一部が、前記第１方向における前記ラックの中央と重なっている、ステアリング装置。
15. 請求項１に記載のステアリング装置において、
    前記ハウジングに取り付けられ、且つ、複数の前記磁気センサを含む磁気モジュールを更に有し、
    前記ラックは、前記第１方向に沿って複数のラック歯が形成されたラック歯形成領域を有し、
    前記ラックが初期位置に位置している場合、平面視において、前記磁気パターンの一部および前記磁気モジュールの一部が、前記第１方向における前記ラック歯形成領域の中央と重なっている、ステアリング装置。
    

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