JP5016625B2 - 検出装置及びパワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の回転角度および２つの回転軸の相対角度を検出する検出装置及びパワーステアリング装置に関する。

従来より、ステアリングホイールに加わる回転トルクを検出するとともに、ステアリングホイールの回転角度を検出する装置が提案されている。
例えば、特許文献１に記載の回転角度・トルク検出装置は、ステアリングホイールに連動して回転する第一の回転体と、これに連動して回転する第一及び第二の検出体と、これらの検出体の回転を検出信号として検出する第一及び第二の検出手段とを備える。また、第一の回転体とトーションバーを介して連結された第二の回転体と、これらの回転体の回転を検出信号として検出する第三及び第四の検出手段と、を備える。

特開２００５−２５７３６４号公報

特許文献１に記載の回転角度・トルク検出装置には、第一の回転体の歯車と、この歯車と噛み合い回転する第一の検出体の歯車および第二の検出体の歯車との歯数の関係については記載されていない。互いに噛み合う歯車の歯数の関係によっては、回転により特定の歯同士の噛み合う回数が他の歯よりも極端に多くなることに起因して局部的に摩耗が生じ、検出精度が悪化したり早期に装置が破損したりするおそれがある。

かかる目的のもと、本発明は、ハウジングに回転可能に支持される第１の回転軸と当該ハウジングに回転可能に支持される第２の回転軸との相対角度を検出すると共に当該第２の回転軸の回転角度を検出する検出装置であって、前記第１の回転軸に設けられる第１の磁石と、前記ハウジングに固定される第１の歯車と、前記第２の回転軸の回転に伴い、当該第２の回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転する第２の歯車と、前記第２の回転軸の回転に伴い、当該第２の回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転し、前記第２の歯車の歯数とは異なる歯数を有する第３の歯車と、前記第２の回転軸に固定され、前記第１の磁石から発生される磁界に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対角度を検出する相対角度検出手段と、前記第２の歯車の自転の角度と前記第３の歯車の自転の角度とに基づいて前記第２の回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、を備え、前記第１の歯車の歯数と前記第２の歯車の歯数との最大公約数および前記第１の歯車の歯数と前記第３の歯車の歯数との最大公約数の少なくともいずれかは１であることを特徴とする検出装置である。

ここで、前記第１の磁石は、外周面に交互に配置されたＮ極とＳ極とを有し、前記相対角度検出手段は、前記第１の磁石の外周面の外側に配置され、前記第１の回転軸の軸心に対して垂直に延びる磁性体を有する第１の磁気抵抗素子を備えることが好適である。
また、前記第２の歯車とともに回転する第２の磁石と、前記第３の歯車とともに回転する第３の磁石と、を有し、前記回転角度検出手段は、前記第２の磁石から発生される磁界に基づいて前記第２の歯車の自転の角度を検出する第２の磁気抵抗素子と、前記第３の磁石から発生される磁界に基づいて前記第３の歯車の自転の角度を検出する第３の磁気抵抗素子と、を有し、当該第２の磁気抵抗素子および当該第３の磁気抵抗素子が検出した値に基づいて前記第２の回転軸の回転角度を検出することが好適である。
また、前記第１の磁気抵抗素子と、前記第２の磁気抵抗素子と、前記第３の磁気抵抗素子とは、同一のプリント基板に実装されていることが好適である。

他の観点から捉えると、本発明は、ハウジングに回転可能に支持された回転軸の回転角度を検出する検出装置であって、前記ハウジングに固定される第１の歯車と、前記回転軸の回転に伴い、当該回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転する第２の歯車と、前記回転軸の回転に伴い、当該回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転し、前記第２の歯車の歯数とは異なる歯数を有する第３の歯車と、前記第２の歯車の自転の角度と前記第３の歯車の自転の角度とに基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、を備え、前記第１の歯車の歯数と前記第２の歯車の歯数との最大公約数および前記第１の歯車の歯数と前記第３の歯車の歯数との最大公約数の少なくともいずれかは１であることを特徴とする検出装置である。

また、他の観点から捉えると、本発明は、ハウジングに回転可能に支持され、ステアリングホイールに連結される第１の回転軸と、トーションバーを介して当該第１の回転軸と連結される第２の回転軸と、を備えるパワーステアリング装置であって、前記第１の回転軸に設けられる第１の磁石と、前記ハウジングに固定される第１の歯車と、前記第２の回転軸の回転に伴い、当該第２の回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転する第２の歯車と、前記第２の回転軸の回転に伴い、当該第２の回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転し、前記第２の歯車の歯数とは異なる歯数を有する第３の歯車と、前記第２の回転軸に固定され、前記第１の磁石から発生される磁界に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対角度を検出する相対角度検出手段と、前記第２の歯車の自転の角度と前記第３の歯車の自転の角度とに基づいて前記第２の回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、を備え、前記第１の歯車の歯数と前記第２の歯車の歯数との最大公約数および前記第１の歯車の歯数と前記第３の歯車の歯数との最大公約数の少なくともいずれかは１であることを特徴とするパワーステアリング装置である。

本発明によれば、ハウジングに固定される第１の歯車と、回転軸の回転に伴い当該回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ第１の歯車と噛み合い自転する第２の歯車および第３の歯車とを有し、２つの回転軸の相対角度および／または回転軸の回転角度を検出する装置において、互いに噛み合う歯車の特定の歯同士の噛み合う回数が他の歯よりも極端に多くなることを抑制することができる。これにより、歯車の歯に局部的に摩耗が生じることを抑制することができるので、相対角度および／または回転角度の検出精度が悪化したり早期に装置が破損したりすることを抑制することができる。

実施の形態に係る検出装置を適用した電動パワーステアリング装置の断面図である。 実施の形態に係る検出装置の斜視図である。 薄膜強磁性金属に流す電流の方向と印加する磁界の方向とを示す図である。 図３の状態で、磁界強度を変化させた場合の、磁界強度と薄膜強磁性金属の抵抗値との関係を示す図である。 薄膜強磁性金属に流す電流の方向と印加する磁界の方向とを示す図である。 磁界の向きと薄膜強磁性金属の抵抗値との関係を示す図である。 規定磁界強度以上の磁界強度で磁界の方向を検出する原理を利用するＭＲセンサの一例を示す図である。 図７に示すＭＲセンサの構成を等価回路で示した図である。 磁石が回転運動するときの磁界方向の変化とＭＲセンサの出力との関係を示す図である。 磁石が直線運動するときの磁界方向の変化とＭＲセンサの出力との関係を示す図である。 ＭＲセンサの他の例を示す図である。 磁石の運動方向を検知するのに用いる出力の組み合わせの一例を示す図である。 ＭＲセンサの配置の例を示す図である。 ＭＲセンサの他の例を示す図である。 第２の回転軸の回転角度と、第２，３の歯車の回転角度との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、実施の形態に係る検出装置１を適用した電動パワーステアリング装置１００の断面図である。図２は、実施の形態に係る検出装置１の斜視図である。
検出装置１は、ハウジング１１０に回転可能に支持された第１の回転軸１２０と、同じくハウジング１１０に回転可能に支持された第２の回転軸１３０との相対角度を検出すると共に第２の回転軸１３０の回転角度を検出する装置である。

ハウジング１１０は、例えば自動車などの乗り物の本体フレーム（以下、「車体」と称する場合もある。）に固定される部材であり、第１ハウジング１１１と第２ハウジング１１２とが、例えばボルトなどにより結合されて構成される。
第１の回転軸１２０は、例えばステアリングホイールが連結される回転軸であり、軸受１１３を介して第１ハウジング１１１に回転可能に支持されている。

第２の回転軸１３０は、トーションバー１４０を介して第１の回転軸１２０に同軸的に結合されていると共に軸受１１４を介して第２ハウジング１１２に回転可能に支持されている。また、第２の回転軸１３０に形成されたピニオン１３１が、車輪に連結されるラック軸（不図示）のラック（不図示）と噛み合っている。そして、第２の回転軸１３０の回転運動がピニオン１３１，ラックを介してラック軸の直線運動に変換され、車輪が操舵される。
また、第２の回転軸１３０には、例えば圧入などによりウォームホイール１５０が固定されている。このウォームホイール１５０は、第２ハウジング１１２に固定された電動モータ１６０の出力軸に連結されたウォームギヤ１６１と噛み合っている。

以上のように構成された電動パワーステアリング装置１００は、ステアリングホイールに加えられた操舵トルクを検出装置１にて検出し、その検出トルクに基づいて電動モータ１６０を駆動し、電動モータ１６０の発生トルクをウォームギヤ１６１、ウォームホイール１５０を介して第２の回転軸１３０に伝達する。これにより、電動モータ１６０の発生トルクが、ステアリングホイールに加える運転者の操舵力をアシストする。

以下に、検出装置１について詳述する。
検出装置１は、第１の回転軸１２０に取り付けられる第１の磁石１０と、ハウジング１１０に固定される第１の歯車２０と、を有している。また、検出装置１は、第２の回転軸１３０の回転に伴い、第２の回転軸１３０の軸心を回転中心として公転しつつ第１の歯車２０と噛み合って自転する第２の歯車３０を有する。また、検出装置１は、第２の回転軸１３０の回転に伴い、第２の回転軸１３０の軸心を回転中心として公転しつつ第１の歯車２０と噛み合って自転し、第２の歯車３０の歯数とは異なる歯数の第３の歯車４０を有する。

第１の磁石１０は、ドーナツ状であり、その内側に第１の回転軸１２０が嵌合されている。そして、少なくとも外周面に、Ｎ極およびＳ極が交互に配置されている。
第１の歯車２０は、フラットケーブルカバー５０の上部の内周面の全周に設けられた歯車である。フラットケーブルカバー５０が、ハウジング１１０の第２ハウジング１１２に固定されることで、第１の歯車２０は、ハウジング１１０に固定される。

フラットケーブルカバー５０をハウジング１１０に固定する態様としては、以下の態様を例示することができる。すなわち、フラットケーブルカバー５０の外周面に、周方向に等間隔に複数個（本実施の形態においては９０度間隔に４個）の凸部５０ａを、外側に延出するように形成する。一方、ハウジング１１０の第２ハウジング１１２に、凸部５０ａが嵌合される凹部１１２ａを、凸部５０ａと同数個形成する。そして、フラットケーブルカバー５０の凸部５０ａを第２ハウジング１１２に形成した凹部１１２ａに嵌合することで、第２の回転軸１３０の回転方向の位置決めを行う。そして、第１ハウジング１１１でフラットケーブルカバー５０の上面を押さえることで第２の回転軸１３０の軸方向の位置決めを行う。

検出装置１は、第２の回転軸１３０に固定されて、第２の回転軸１３０と共に回転するベース６０を有している。そして、第２の歯車３０および第３の歯車４０が、ベース６０に回転可能に支持されている。言い換えれば、第２の歯車３０および第３の歯車４０は、ハウジング１１０に固定されるフラットケーブルカバー５０に対して、第２の回転軸１３０の軸心を回転中心として回転可能に設けられている。
第２の歯車３０の内側には、半円柱状のＮ極と半円柱状のＳ極とを有する円柱状の第２の磁石３０ａが例えばインサート成形により装着されている。また、第３の歯車４０の内側には、同じく半円柱状のＮ極と半円柱状のＳ極とを有する円柱状の第３の磁石４０ａが例えばインサート成形により装着されている。

第２の歯車３０を、ベース６０に回転可能に支持する態様としては、以下の態様を例示することができる。図１に示すように、ベース６０に円柱状の凹部６０ａを設け、凹部６０ａにベアリング６１を装着する。他方、第２の歯車３０の下面に円柱状の凸部３０ｂを設ける。そして、第２の歯車３０の凸部３０ｂを、ベアリング６１の内周面に嵌合する。または、第２の歯車３０の回転中心部に、つまり第２の磁石３０ａの中心部に非磁性体の回転軸を設け、この回転軸をベース６０に設けた軸受け（例えば、ベアリング）に嵌合してもよい。第３の歯車４０も上述した態様でベース６０に回転可能に支持する。

ベース６０には、配線パターン（不図示）が形成されたプリント基板７０が、第２の歯車３０および第３の歯車４０との間で所定の間隙を形成するように、例えばネジ止めなどにより装着されている。言い換えれば、プリント基板７０は、ハウジング１１０に固定されるフラットケーブルカバー５０に対して、第２の回転軸１３０の軸心を回転中心として回転可能に設けられている。
プリント基板７０には、図１，２に示すように、第１の回転軸１２０の半径方向には第１の磁石１０の外周面の外側であり、第１の回転軸１２０の軸方向には第１の磁石１０が設けられた領域内となるように第１の磁気検出素子７１が装着されている。本実施の形態に係る第１の磁気検出素子７１は、磁界によって抵抗値が変化することを利用した磁気センサであるＭＲセンサ（磁気抵抗素子）であることを例示することができる。そして、この第１の磁気検出素子７１が、第１の磁石１０から発生される磁界に基づいて第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を検出する相対角度検出手段を構成する。第１の磁気検出素子７１および相対角度の検出手法については後で詳述する。

また、プリント基板７０には、第２の磁石３０ａの中央部と対向する位置に、第２の磁石３０ａとの間で所定の間隙を形成するように第２の磁気検出素子７２が装着されている。また、プリント基板７０には、第３の磁石４０ａの中央部と対向する位置に、第３の磁石４０ａとの間で所定の間隙を形成するように第３の磁気検出素子７３が装着されている。本実施の形態に係る第２，３の磁気検出素子７２，７３も、ＭＲセンサ（磁気抵抗素子）であることを例示することができる。そして、この第２，３の磁気検出素子７２，７３が、第２の歯車３０の自転の角度と第３の歯車４０の自転の角度とに基づいて第２の回転軸１３０の回転角度を検出する回転角度検出手段を構成する。検出手法については後で詳述する。

また、プリント基板７０には、配線パターンと電気的に接続されたコネクタ７４が取り付けられており、このコネクタ７４には、フラットケーブル８０の一方の先端部に設けられたコネクタ（不図示）が接続されている。フラットケーブル８０は、図２に示すように、ベース６０の下方であってフラットケーブルカバー５０の内側で渦状に巻かれている。そして、フラットケーブル８０の一方の先端部は、ベース６０に形成された孔を介してベース６０の上方のコネクタ７４に接続されている。また、フラットケーブル８０の他方の先端部は、フラットケーブルカバー５０に形成された孔を介してフラットケーブルカバー５０の内部から外部へ出され、フラットケーブルカバー５０の外側で、例えば電動パワーステアリング装置１００の制御を行う制御装置（不図示）のプリント基板（制御基板）に設けられたコネクタ（不図示）に接続される。

また、検出装置１は、第１の磁気検出素子７１の検出値を基に第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を演算する相対角度演算手段（不図示）と、第２，第３の磁気検出素子７２，７３の検出値を基に第２の回転軸１３０の回転角度を演算する回転角度演算手段（不図示）と、を備えている。相対角度演算手段は、上述した相対角度検出手段を構成し、回転角度演算手段は上述した回転角度検出手段を構成する。そして、これらの演算手段は、プリント基板７０とは別にフラットケーブルカバー５０の外側に設けたプリント基板（例えば上述した制御装置に設けられた基板）に装着してもよいし、プリント基板７０に装着してもよい。

演算手段を、プリント基板７０とは別のプリント基板に装着する場合には、第１〜第３の磁気検出素子７１〜７３の検出値は、フラットケーブル８０を介して演算手段に出力されるようにする。また、演算手段を、プリント基板７０に装着する場合には、演算手段にて第１〜第３の磁気検出素子７１〜７３の検出値に基づいて相対角度あるいは回転角度を演算した後に、演算した結果を、フラットケーブル８０を介して制御装置に出力する。

以下に、本実施の形態に係る第１〜第３の磁気検出素子７１〜７３について説明する。
本実施の形態に係る第１〜第３の磁気検出素子７１〜７３は、磁界によって抵抗値が変化することを利用したＭＲセンサ（磁気抵抗素子）である。

先ず、ＭＲセンサの動作原理について説明する。
ＭＲセンサは、Ｓｉ若しくはガラス基板と、その上に形成されたＮｉ−Ｆｅなどの強磁性金属を主成分とする合金の薄膜で構成されており、その薄膜強磁性金属の抵抗値は、特定方向の磁界の強度に応じて抵抗値が変化する。

図３は、薄膜強磁性金属に流す電流の方向と印加する磁界の方向とを示す図である。図４は、図３の状態で、磁界強度を変化させた場合の、磁界強度と薄膜強磁性金属の抵抗値との関係を示す図である。
図３に示すように、基板の上に矩形状に形成した薄膜強磁性金属に、矩形の長手方向、つまり図中Ｙ方向に電流を流す。一方、磁界Ｈを、電流方向（Ｙ方向）に対して垂直方向（図中Ｘ方向）に印加し、その状態で、磁界の強さを変更する。このときに、薄膜強磁性金属の抵抗値がどのように変化するかを示したのが図４である。

図４に示すように、磁界の強さを変化させたとしても、無磁界（磁界強度ゼロ）時からの抵抗値変化は最大で約３％となる。
以下では、抵抗値変化量(ΔＲ)が、近似的に「ΔＲ∝Ｈ^２」の式で表すことができる領域外を「飽和感度領域」と称す。そして、飽和感度領域においては、ある磁界強度（以下、「規定磁界強度」と称す。）以上になると３％の抵抗値変化は変わらない。

図５は、薄膜強磁性金属に流す電流の方向と印加する磁界の方向とを示す図である。図６は、磁界の向きと薄膜強磁性金属の抵抗値との関係を示す図である。
図５のように、矩形状に形成した薄膜強磁性金属の矩形の長手方向、つまり図中Ｙ方向に電流を流し、磁界の方向として電流方向に対して角度変化θを与える。このとき、磁界の向きに起因する薄膜強磁性金属の抵抗値の変化を知るために、印加する磁界強度は、磁界強度に起因しては抵抗値が変化しない上述した規定磁界強度以上とする。

図６（ａ）に示すように、抵抗変化量は、電流方向と磁界の方向が垂直（θ＝９０度、２７０度）の時に最大となり、電流方向と磁界の方向が平行（θ＝０度、１８０度）の時に最小となる。かかる場合の抵抗値の最大の変化量をΔＲとすると、薄膜強磁性金属の抵抗値Ｒは、電流方向と磁界方向の角度成分として変化し、式（１）のように示され、図６（ｂ）に示すようになる。
Ｒ＝Ｒ０−ΔＲｓｉｎ^２θ・・・（１）
ここで、Ｒ０は、規定磁界強度以上の磁界を電流方向と平行（θ＝０度あるいは１８０度）に印加した場合の抵抗値である。
式（１）により、規定磁界強度以上の磁界の方向は、薄膜強磁性金属の抵抗値を把握することで検出することができる。

次に、ＭＲセンサの検出原理について説明する。
図７は、規定磁界強度以上の磁界強度で磁界の方向を検出する原理を利用するＭＲセンサの一例を示す図である。
図７に示すＭＲセンサの薄膜強磁性金属は、縦方向が長くなるように形成された第１のエレメントＥ１と横方向が長くなるように形成された第２のエレメントＥ２とが直列に配置されている。

かかる形状の薄膜強磁性金属においては、第１のエレメントＥ１に対して最も大きな抵抗値変化を促す垂直方向の磁界は、第２のエレメントＥ２に対し最小の抵抗値変化の磁界方向となる。そして、第１のエレメントＥ１の抵抗値Ｒ１は式（２）、第２のエレメントＥ２の抵抗値Ｒ２は式（３）で与えられる。
Ｒ１＝Ｒ０−ΔＲｓｉｎ^２θ・・・（２）
Ｒ２＝Ｒ０−ΔＲｃｏｓ^２θ・・・（３）

図８は、図７に示すＭＲセンサの構成を等価回路で示した図である。
図７に示すようなエレメント構成のＭＲセンサの等価回路は図８に示すようになる。
図７，８に示すように、第１のエレメントＥ１の、第２のエレメントＥ２と接続されていない方の端部をグランド（Ｇｎｄ）とし、第２のエレメントＥ２の、第１のエレメントＥ１と接続されていない方の端部の出力電圧をＶｃｃとした場合に、第１のエレメントＥ１と第２のエレメントＥ２との接続部の出力電圧Ｖｏｕｔは式（４）で与えられる。
Ｖｏｕｔ＝（Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２））×Ｖｃｃ…（４）

式（４）に、式（２）、（３）を代入し整理すると、式（５）の通りとなる。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｃｃ／２＋α×ｃｏｓ２θ…（５）
ここで、αは、α＝（ΔＲ／（２（２×Ｒ０−ΔＲ）））×Ｖｃｃである。
式（５）により、磁界の方向は、Ｖｏｕｔを検出することで把握することができる。

磁石が運動するときの磁界方向の変化とＭＲセンサの出力について説明する。
図９は、磁石が回転運動するときの磁界方向の変化とＭＲセンサの出力との関係を示す図である。
図９（ａ）に示すように、図７に示したＭＲセンサを、半円柱状のＮ極と半円柱状のＳ極からなる円柱状の磁石の中心軸方向の一方の面に対向するように配置する。その際、図９（ｂ）に示す磁石とＭＲセンサとのギャップＬは、ＭＲセンサに規定磁界強度以上の磁界強度が印加される距離とする。

そして、図９（ｃ）に示すように、磁石を、中心軸回りに、（ｉ）→（ｉｉ）→（ｉｉｉ）→（ｉｖ）→（ｉ）と回転させる。かかる場合、磁石にはＮ極からＳ極へ磁束線が出ており、この磁束線が磁界の方向となることから、ＭＲセンサには、磁石の向きに応じて図９（ｃ）に示した矢印の向きの磁界が印加されることとなる。つまり、磁石が１回転したとき、センサ面では磁界の方向が１回転する。
かかる場合、第１のエレメントＥ１と第２のエレメントＥ２との接続部の出力電圧Ｖｏｕｔの波形は、式（５）に示した「Ｖｏｕｔ＝Ｖｃｃ／２＋α×ｃｏｓ２θ」となり、図９（ｄ）に示すように２周期の波形となる。

図１０は、磁石が直線運動するときの磁界方向の変化とＭＲセンサの出力との関係を示す図である。
図１０（ａ）に示すように、Ｎ極とＳ極が交互に配列された磁石に対して、図７に示したＭＲセンサを、規定磁界強度以上の磁界強度が印加されるギャップ（磁石とＭＲセンサとの距離）Ｌで、かつ磁界の方向変化がＭＲセンサのセンサ面に寄与するように配置する。

そして、磁石を、図１０（ａ）に示すように左方向に移動させる。そして、図１０（ｃ）に示すように、磁石を、Ｎ極中心からＳ極中心までの距離（以下、「着磁ピッチ」と称する場合もある。）λ移動させる。かかる場合、ＭＲセンサには、磁石の位置に応じて図１０（ｃ）に示した矢印の向きの磁界が印加されることとなり、磁石が着磁ピッチλを移動したとき、センサ面では磁界の方向が１／２回転する。ゆえに、第１のエレメントＥ１と第２のエレメントＥ２との接続部の出力電圧Ｖｏｕｔの波形は、式（５）に示した「Ｖｏｕｔ＝Ｖｃｃ／２＋α×ｃｏｓ２θ」より、図１０（ｄ）に示すように１周期の波形となる。

図１１は、ＭＲセンサの他の例を示す図である。
図７に示したエレメント構成の代わりに図１１（ａ）に示すようなエレメント構成にすれば、図１１（ｂ）に示すように、一般的に知られているホイートストン・ブリッジ（フルブリッジ）の構成にすることができる。ゆえに、図１１（ａ）に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いることにより検出精度を高めることが可能となる。

磁石の運動の方向を検出する手法について説明する。
図６に示した磁界の向きと薄膜強磁性金属の抵抗値との関係および式（１）「Ｒ＝Ｒ０−ΔＲｓｉｎ^２θ」からすると、図５で見た場合に、磁界の向きを電流の方向に対して時計回転方向に回転させても反時計回転方向に回転させても薄膜強磁性金属の抵抗値は同じである。ゆえに、薄膜強磁性金属の抵抗値を把握できても磁石の運動の方向は把握できない。

図１２は、磁石の運動方向を検知するのに用いる出力の組み合わせの一例を示す図である。図１２のように１／４周期の位相差を持った２つの出力を組み合わせることで磁石の運動方向の検知が可能となる。これらの出力を得る為には、図１０で示す（ｉ）と（ｉｉ）又は（ｉ）と（ｉｖ）の位置に、二つのＭＲセンサを配置すればよい。

図１３は、ＭＲセンサの配置の例を示す図である。図１３に示すように２つのＭＲセンサを重ね、一方のセンサを他方のセンサに対して４５度に傾けて配置することも好適である。
図１４は、ＭＲセンサの他の例を示す図である。図１４（ａ）に示すように、２組のフルブリッジ構成のエレメントを互いに４５度傾けて一つの基板上に形成し、図１４（ｂ）に示すような等価回路となるエレメント構成にすることも好適である。これにより、一つのＭＲセンサで、図１４（ｃ）に示すように、正確な正弦波、余弦波の出力が可能となる。それゆえ、図１４に示すエレメント構成のＭＲセンサの出力値により、ＭＲセンサに対する磁石の運動方向及び運動量を把握することができる。

上述したＭＲセンサの特性に鑑み、本実施の形態に係る検出装置１においては、第１〜第３の磁気検出素子７１〜７３として、以下に述べるＭＲセンサを用いる。
先ず、第１の磁気検出素子７１として、図１４に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いる。第１の磁気検出素子７１は、上述したように、第１の磁石１０の外周面に対して垂直に配置され、第２の回転軸１３０の軸方向の位置は、第１の磁石１０の領域内である。それゆえ、かかる場合には、第１の回転軸１２０と共に回転する第１の磁石１０から発生される磁界により、第１の磁石１０の位置に応じて、第１の磁気検出素子７１には、図１０（ｃ）に示すような磁界方向の変化となる。

その結果、第１の磁石１０が着磁ピッチλを移動（回転）したとき、センサ面では磁界の方向が１／２回転すると共に、図１４（ｃ）に示すような１／４周期の位相差となる正弦波および余弦波の出力結果となる。
そこで、上記事項を基に、第１の磁気検出素子７１での検出値と、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度及び両者の捩れ方向との関係のテーブルを予めトルクテーブルとして作成しておき、例えば、演算手段が有する記憶領域に記憶しておく。そして、演算手段が、第１の磁気検出素子７１にて検出した値と、トルクテーブルに基づいて、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度及び両者の捩れ方向を演算できるようにしておく。

また、第２の磁気検出素子７２および第３の磁気検出素子７３として、図１１（ａ）に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いる。そして、第２の磁気検出素子７２を、エレメントと円柱状の第２の磁石３０ａの上面とが対向するように配置する。また、第３の磁気検出素子７３を、エレメントと円柱状の第３の磁石４０ａの上面とが対向するように配置する。

かかる場合には、図９（ｃ）に示すような第２，第３の磁気検出素子７２，７３に対する磁界方向となり、ＶｏｕｔＡの出力波形と磁界方向との関係は図９（ｄ）に示すような波形となる。それゆえ、第２，第３の磁気検出素子７２，７３の検出値により第２，第３の歯車３０，４０の回転角度を把握することができる。
さらに、第１の歯車２０の歯数と第２の歯車３０の歯数との関係、第１の歯車２０の歯数と第３の歯車４０の歯数との関係を考慮すると共に、第２の歯車３０の歯数と第３の歯車４０の歯数とが異なる点を考慮すると、図１５に示すような、第２の回転軸１３０の回転角度と、第２，３の歯車３０，４０の回転角度との関係を示す図を得ることができる。

そこで、上記事項を基に、第２，第３の磁気検出素子７２，７３での検出値と、第２の回転軸１３０の回転角度との関係のテーブルを予め回転角度テーブルとして作成しておき、例えば、演算手段が有する記憶領域に記憶しておく。そして、演算手段が、第２，第３の磁気検出素子７２，７３にて検出した値と、回転角度テーブルに基づいて、第２の回転軸１３０の回転角度を演算できるようにしておく。

なお、図１５においては、第２の回転軸１３０の回転角度が１４４０度（＝３６０度×４）分の第２，３の歯車３０，４０の回転角度を示している。かかる場合、第２の回転軸１３０の回転角度が７２０度であるときをステアリングホイールの０度基準とすることにより、右回りに２回転（７２０度）、左回りに２回転（７２０度）の舵角を検出可能となる。

本実施の形態に係る第２，第３の歯車３０，４０の歯数は異ならせており、両歯数の関係を、図１５に示すように、第２の回転軸１３０が１４４０度回転しても、両歯車の回転位置が０度の状態に戻らない歯数としている。これにより、第２の歯車３０及び第３の歯車４０の回転角度を把握することにより一義的に第２の回転軸１３０の回転角度を把握することを実現している。
そして、第２，第３の歯車３０，４０の歯数として、第２の回転軸１３０がＮ度回転しても両歯車が０度の状態に戻らない歯数を選択することで、ステアリングホイールの（Ｎ／３６０）回転分の舵角を把握することが可能となる。

また、本実施の形態に係る検出装置１においては、第１の歯車２０の歯数、第２の歯車３０の歯数および第３の歯車４０の歯数を決定するにあたって、互いに噛み合う第１の歯車２０の歯数と第２の歯車３０の歯数とを互いに素の数、つまり両歯車の歯数の最大公約数を１とする。同様に、互いに噛み合う第１の歯車２０の歯数と第３の歯車４０の歯数とを互いに素の数、つまり両歯車の歯数の最大公約数を１とする。

上述のように構成された検出装置１は、以下のように機能する。
すなわち、利用者がステアリングホイールを回転すると、これに伴って第１の回転軸１２０が回転し、トーションバー１４０が捩れる。そして、第２の回転軸１３０が第１の回転軸１２０より少し遅れて回転する。この遅れは、トーションバー１４０に連結された第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との回転角度の差となってあらわれる。
この回転角度の差を、演算手段が、第１の磁気検出素子７１の出力信号とトルクテーブルとに基づいて演算することにより、検出装置１は、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度及び捩れ方向、つまりはステアリングホイールに加わるトルクの大きさ及び向きを検出することが可能となる。

また、ステアリングホイールを回転するのに伴って第２の回転軸１３０が回転すると、第１の歯車２０に噛み合う第２の歯車３０及び第３の歯車４０が、第２の回転軸１３０の軸心を回転中心として公転しつつ自転する。そして、これらの回転に連動して、第２の磁石３０ａおよび第３の磁石４０ａも回転する。これら第２，第３の磁石３０ａ，４０ａの回転を第２，第３の磁気検出素子７２，７３が検出する。
そして、演算手段が、第２，第３の磁気検出素子７２，７３の出力信号と回転角度テーブルとに基づいて演算することにより、検出装置１は、第２の回転軸１３０の回転角度、つまりはステアリングホイールの回転角度（舵角）を検出することが可能となる。

また、上述のように構成された検出装置１を組み付ける際には、フラットケーブルカバー５０と、プリント基板７０を取り付けたベース６０と、フラットケーブルカバー５０とベース６０との間に収容するフラットケーブル８０と、を予めユニット化しておく。そして、そのユニットを、第２の回転軸１３０が組み付けられた第２ハウジング１１２に、フラットケーブルカバー５０の凸部５０ａが第２ハウジング１１２の凹部１１２ａに嵌るように取り付ける。その際、ベース６０を、第２の回転軸１３０に連結する。
このように、検出装置１を予めユニット化が可能な構造とすることで組み付け性を向上させている。

また、フラットケーブルカバー５０の内側に第１の歯車２０を設け、フラットケーブルカバー５０の内側に、第１の歯車２０と噛み合いつつ自転及び公転を行う第２，第３の歯車３０，４０を設けている。そして、第２，第３の歯車３０，４０の回転角度を検出することで第２の回転軸１３０の回転角度を検出する。また、フラットケーブルカバー５０の内側に配置された第１の磁気検出素子７１の出力値に基づいて第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を検出する。これにより、検出装置１のコンパクト化を実現している。
また、第１の磁気検出素子７１のみの出力値に基づいて第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を検出するので、複数のセンサの出力値に基づいて検出するよりは、検出精度が高くなる。

加えて、互いに噛み合う第１の歯車２０の歯数と第２の歯車３０の歯数、および第１の歯車２０の歯数と第３の歯車４０の歯数は、最大公約数が１となるように定められているので、特定の歯同士の噛み合い回数が他の歯よりも極端に多くなることが抑制される。これにより、歯車の歯に局部的に摩耗が生じることを抑制することができる。それゆえ、歯車の歯の摩耗および疲労が均等化されるので、検出精度の悪化や破損が早期に生じることを抑制することができ、耐久性の向上を実現している。

なお、上述した実施の形態においては、第１の磁気検出素子７１として、図１４に示した２組のフルブリッジ構成のエレメントを互いに４５度傾けて一つの基板上に形成したＭＲセンサを用い、その出力値に基づいて、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度および角度差が生じた方向、言い換えればトーションバー１４０の捩れ方向をも検出している。

しかしながら、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との捩れ方向を、第２，第３の磁気検出素子７２，７３の出力値に基づいて検出してもよい。かかる場合には、第１の磁気検出素子７１では、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度のみを検出すればよく、第１の磁気検出素子７１として、図１１に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いてもよい。

また、上述した検出装置１においては、例えばステアリングホイールが連結される第１の回転軸１２０に第１の磁石１０を固定し、ピニオン１３１が形成された第２の回転軸１３０にベース６０を固定しているが特にかかる態様に限定されない。ピニオン１３１が形成された第２の回転軸１３０に第１の磁石１０を固定し、ステアリングホイールが連結される第１の回転軸１２０にベース６０を固定してもよい。かかる構成においても、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を検出することができると共に第１の回転軸１２０の回転角度を検出することができる。

また、第１の磁石１０は、外周面に、Ｎ極とＳ極とが交互に周方向に並べられるように着磁されていればよく、第１の回転軸１２０に固定された磁石支持部材を介して第１の回転軸１２０に固定されていてもよい。
また、第１の磁石１０は、ドーナツ状である必要はなく、また、外周面の周方向に全周にわたる必要はない。第１の磁石１０は、少なくともトーションバー１４０が捩れる範囲において、第１の磁気検出素子７１に対して、磁界の変化を検出させることができる範囲にわたって設けられていればよい。

また、上述した実施の形態においては、車両の本体フレームに固定されたハウジング１１０に対してプリント基板７０が回転可能に配置され、フラットケーブル８０を介してプリント基板７０から第１〜第３の磁気検出素子７１〜７３の検出値あるいはこれらの検出値に基づいて演算した結果が本体フレームに固定された制御装置へ伝送される。
他方、第１の回転軸１２０が連結されるステアリングホイールには、クラクション、エアバック、オーディオのコントロールスイッチ等が配置される。これらのステアリングホイールに配置された部品は、ステアリングホイールを回転した場合でも回転しない車体側との電気的接続を保つ必要がある。

そこで、プリント基板７０に、コネクタ７４に加えて第２のコネクタを設け、第２のコネクタ、フラットケーブルなどを介して上述したステアリングホイールに配置された部品とプリント基板７０とを電気的に接続する。加えて、フラットケーブル８０を介してステアリングホイールに配置された部品と車体側（制御装置）とを電気的に接続する。このようにすることにより、検出装置１及びステアリングホイールに配置された部品を別々に車体側と電気的に接続するよりも、部品点数を削減できるとともにステアリングホイール周りをコンパクトにすることができる。

また、本実施の形態に係る検出装置１においては、第２の回転軸１３０の回転角度を検出可能であり、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を検出可能であることから、検出した第２の回転軸１３０の回転角度に、第１の回転軸１２０と第２の回転軸１３０との相対角度を加味することで第１の回転軸１２０の回転角度をも検出することができる。

１…検出装置、１０…第１の磁石、２０…第１の歯車、３０…第２の歯車、４０…第３の歯車、５０…フラットケーブルカバー、６０…ベース、７０…プリント基板、７１…第１の磁気検出素子、７２…第２の磁気検出素子、７３…第３の磁気検出素子、８０…フラットケーブル、１００…電動パワーステアリング装置、１１０…ハウジング、１２０…第１の回転軸、１３０…第２の回転軸、１４０…トーションバー、１５０…ウォームホイール、１６０…電動モータ

Claims (6)

1. ハウジングに回転可能に支持される第１の回転軸と当該ハウジングに回転可能に支持される第２の回転軸との相対角度を検出すると共に当該第２の回転軸の回転角度を検出する検出装置であって、
   前記第１の回転軸に設けられる第１の磁石と、
   前記ハウジングに固定される第１の歯車と、
   前記第２の回転軸の回転に伴い、当該第２の回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転する第２の歯車と、
   前記第２の回転軸の回転に伴い、当該第２の回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転し、前記第２の歯車の歯数とは異なる歯数を有する第３の歯車と、
   前記第２の回転軸に固定され、前記第１の磁石から発生される磁界に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対角度を検出する相対角度検出手段と、
   前記第２の歯車の自転の角度と前記第３の歯車の自転の角度とに基づいて前記第２の回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、を備え、
   前記第１の歯車の歯数と前記第２の歯車の歯数との最大公約数および前記第１の歯車の歯数と前記第３の歯車の歯数との最大公約数の少なくともいずれかは１であることを特徴とする検出装置。
2. 前記第１の磁石は、外周面に交互に配置されたＮ極とＳ極とを有し、
   前記相対角度検出手段は、前記第１の磁石の外周面の外側に配置され、前記第１の回転軸の軸心に対して垂直に延びる磁性体を有する第１の磁気抵抗素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記第２の歯車とともに回転する第２の磁石と、前記第３の歯車とともに回転する第３の磁石と、を有し、
   前記回転角度検出手段は、前記第２の磁石から発生される磁界に基づいて前記第２の歯車の自転の角度を検出する第２の磁気抵抗素子と、前記第３の磁石から発生される磁界に基づいて前記第３の歯車の自転の角度を検出する第３の磁気抵抗素子と、を有し、当該第２の磁気抵抗素子および当該第３の磁気抵抗素子が検出した値に基づいて前記第２の回転軸の回転角度を検出することを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
4. 前記第１の磁気抵抗素子と、前記第２の磁気抵抗素子と、前記第３の磁気抵抗素子とは、同一のプリント基板に実装されていることを特徴とする請求項３に記載の検出装置。
5. ハウジングに回転可能に支持された回転軸の回転角度を検出する検出装置であって、
   前記ハウジングに固定される第１の歯車と、
   前記回転軸の回転に伴い、当該回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転する第２の歯車と、
   前記回転軸の回転に伴い、当該回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転し、前記第２の歯車の歯数とは異なる歯数を有する第３の歯車と、
   前記第２の歯車の自転の角度と前記第３の歯車の自転の角度とに基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、を備え、
   前記第１の歯車の歯数と前記第２の歯車の歯数との最大公約数および前記第１の歯車の歯数と前記第３の歯車の歯数との最大公約数の少なくともいずれかは１であることを特徴とする検出装置。
6. ハウジングに回転可能に支持され、ステアリングホイールに連結される第１の回転軸と、トーションバーを介して当該第１の回転軸と連結される第２の回転軸と、を備えるパワーステアリング装置であって、
   前記第１の回転軸に設けられる第１の磁石と、
   前記ハウジングに固定される第１の歯車と、
   前記第２の回転軸の回転に伴い、当該第２の回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転する第２の歯車と、
   前記第２の回転軸の回転に伴い、当該第２の回転軸の軸心を回転中心として公転しつつ前記第１の歯車と噛み合い自転し、前記第２の歯車の歯数とは異なる歯数を有する第３の歯車と、
   前記第２の回転軸に固定され、前記第１の磁石から発生される磁界に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸との相対角度を検出する相対角度検出手段と、
   前記第２の歯車の自転の角度と前記第３の歯車の自転の角度とに基づいて前記第２の回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手段と、を備え、
   前記第１の歯車の歯数と前記第２の歯車の歯数との最大公約数および前記第１の歯車の歯数と前記第３の歯車の歯数との最大公約数の少なくともいずれかは１であることを特徴とするパワーステアリング装置。

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