回転角・トルクセンサ
【課題】軸ぶれをキャンセルでき、かつトルクセンサと回転角センサ両方の機能を有する回転角・トルクセンサを提供する。
【解決手段】回転角・トルクセンサ１００において、それぞれ回転軸に対して固定された第１乃至第４の磁気センサ１０〜１３と、第１のシャフト４の回転に応じて、第１及び第３の磁気センサ１０，１２の位置に第１周期数の周期的な第１の磁界を生成する磁石ローター１と、第２のシャフト５の回転に応じて、第２及び第４の磁気センサ１１，１３の位置に第２周期数の周期的な第１の磁界を生成する磁石ローター２と、第１及び第３の磁界センサ１０，１２の出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、第２及び第４の磁界センサ１１，１３の出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいてステアリングの操舵角とトルクとを算出する演算回路３０とを備え、第１周期数と前記第２周期数とは互いに異なることを特徴とする。
【解決手段】回転角・トルクセンサ１００において、それぞれ回転軸に対して固定された第１乃至第４の磁気センサ１０〜１３と、第１のシャフト４の回転に応じて、第１及び第３の磁気センサ１０，１２の位置に第１周期数の周期的な第１の磁界を生成する磁石ローター１と、第２のシャフト５の回転に応じて、第２及び第４の磁気センサ１１，１３の位置に第２周期数の周期的な第１の磁界を生成する磁石ローター２と、第１及び第３の磁界センサ１０，１２の出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、第２及び第４の磁界センサ１１，１３の出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいてステアリングの操舵角とトルクとを算出する演算回路３０とを備え、第１周期数と前記第２周期数とは互いに異なることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転角・トルクセンサに関し、特に回転角センサとトルクセンサを一体化した回転角・トルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車などの車両に関して、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）及び横滑り防止装置（ＥＳＣ）の両方を装備するケースが増加している。
【０００３】
ＥＰＳは、運転手の操舵を補助する装置である。ＥＰＳでは、ステアリングと車軸をつなぐステアリング軸に、バネの一種であるトーションバーが設けられる。運転手が舵輪を回転させるとステアリング軸を通じて車軸に回転が伝えられるが、トーションバーの作用により、ステアリングと車軸の回転力に一定の差（トルク）が生ずる。ＥＰＳは、このトルクを検出し、検出結果に応じた補助操舵力をステアリング軸に与えることにより、運転手の操舵を補助する。
【０００４】
ＥＳＣは、急ハンドル時や滑りやすい路面を走行中に発生しがちな車両の横滑りを感知し、車両の進行方向を保つように、個々の車輪にブレーキをかける装置である。ＥＳＣは、ステアリングの操舵量及び操舵方向（所定の基準ポジションからの回転角。以下、「ステアリングの操舵角」という。）を検出し、検出結果に応じて各車輪のブレーキ制御を行うことで、車両の横滑りを防止する。
【０００５】
ＥＰＳとＥＳＣの両方を搭載する車両には、トルクを検出するセンサ（トルクセンサ）と、ステアリングの操舵角を検出するセンサ（回転角センサ）という２つのセンサが必要となる。近年では、センサの占有スペースの縮小やセンサ自体の機能向上の観点からこれらのセンサの改良が進められており、そのうちのひとつとして、特許文献１，２に示されるような複合型のセンサ（以下、「回転角・トルクセンサ」という。）が検討されている。以下、特許文献１，２それぞれについて、トルクとステアリングの操舵角とを検出する方法を説明する。
【０００６】
特許文献１に開示される技術では、それぞれトーションバーの両端に設置される第１及び第３の回転体と、第１の回転体に設けられた歯車に嵌合する歯車を有し、第１の回転体より低速に回転する第２の回転体とが用いられる。第１の回転体の外周面には、例えば１５個のＮ極と１５個のＳ極とが、等間隔をなして交互に配置されている。第３の回転体の外周面にも同様に、第１の回転体と同数のＮ極及びＳ極が、等間隔をなして交互に配置されている。これにより、第１及び第３の回転体の外周面近傍には、回動方向に沿って周期的な磁界が形成される。この磁界の周期数（１回転分の周期の数）は、第１及び第３の回転体の外周面にそれぞれ形成されるＮ極（Ｓ極）の数に等しくなる。第２の回転体については、その中心部に磁石が配置されている。
【０００７】
第１〜第３の回転体それぞれの近傍には、第１〜第３の磁気センサが配置される。第１の回転体が回動すると、第１の磁気センサには磁界の変動が検出される。第１の磁気センサは、検出した磁界の変動に応じて変動する信号を生成し、出力する。こうして得られる信号を演算すると、第１の回転体の外周面近傍に形成される磁界の周期数と同一周期数の周期的な角度信号（以下、「電気角」という。）が得られる。第３及び第２の回転体についても、それぞれ第１の回転体と同様、第３及び第２の磁気センサの出力から電気角を得ることができる。第３の回転体の電気角は、第３の回転体の外周面近傍に形成される磁界の周期数と同一周期数の周期的な角度信号である。一方、第２の回転体の電気角は、特許文献１の記載によれば、第２の回転体の機械角（所定の基準ポジションからの物理的な回転角）７２０ｄｅｇの変化に対して１８０ｄｅｇの割合で変化する角度信号となる。
【０００８】
トルクは、第１の回転体の電気角と第３の回転体の電気角の差にトーションバーの弾性定数を乗ずることで算出される。一方、ステアリングの操舵角は、第２の回転体の電気角及び第１の回転体の電気角から求められる。
【０００９】
特許文献２に開示される技術では、トーションバーの一端にターゲット３ａ，３ｂが設けられ、他端にターゲット３ｃが設けられる。ターゲット３ａ，３ｃそれぞれの外周面には磁性体製の凸起が同数ずつ設けられ、ターゲット３ｂの外周面には、ターゲット３ａ，３ｃに設けられる凸起の個数と互いに素な個数の磁性体製の凸起が設けられる。トルクは、ターゲット３ａの電気角とターゲット３ｃの電気角との差に基づいて算出される。ステアリングの操舵角は、ターゲット３ａの電気角とターゲット３ｂの電気角とに基づいて求められる。
【００１０】
ところで、トーションバーの両端に設置された２つの回転体には、回転軸に対する位置ずれ（以下、「軸ぶれ」という。）が生ずる場合がある。このような軸ぶれが発生すると、各回転体の電気角と機械角の関係が崩れることから、上記特許文献１，２に開示される構成では、トルクやステアリングの操舵角を正しく算出することができなくなってしまう。
【００１１】
特許文献３には、電動モータ付き自転車のペダル踏力の検出装置（トルクセンサ）の例ではあるが、上記のような軸ぶれの影響をキャンセルできる技術が開示されている。この技術では、第１及び第２の磁性リング（回転体）それぞれについて、その外周付近の互いに１８０度異なる位置に２つの磁気センサを対向配置する。そして、これら２つの磁気センサの出力を用いて、軸ぶれの影響をキャンセルしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−２２０５２９号公報
【特許文献２】特開２００３−２７００６２号公報
【特許文献３】特開平１１−２５８０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献３に開示される検出装置はトルクセンサとしての機能のみを有する単機能センサである。第１の磁性リング（又は第２の磁性リング）の電気角を求めることはできるが、機械角を求めることができない。したがって、この検出装置を回転角センサとして用いることはできない。
【００１４】
したがって、本発明の目的の一つは、軸ぶれをキャンセルでき、かつトルクセンサと回転角センサ両方の機能を有する回転角・トルクセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するための本発明による回転角・トルクセンサは、回転軸の周りを回動可能に構成された第１のシャフトと、前記回転軸の周りを回動可能に構成された第２のシャフトと、前記回転軸に沿って配置され、前記第１のシャフトと前記第２のシャフトとを接続するトーションバーと、それぞれ前記回転軸に対して固定された第１乃至第４の磁気センサと、前記第１のシャフトの回転に応じて、前記第１及び第３の磁気センサの位置に第１周期数の周期的な第１の磁界を生成する第１の磁界生成手段と、前記第２のシャフトの回転に応じて、前記第２及び第４の磁気センサの位置に第２周期数の周期的な第２の磁界を生成する第２の磁界生成手段と、前記第１及び第３の磁界センサの出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第２及び第４の磁界センサの出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第１及び第２のシャフトそれぞれの機械角を算出するとともに、算出した前記第１及び第２のシャフトそれぞれの前記機械角に基づいて前記第１のシャフトにかかるトルクを算出する演算手段とを備え、前記第１周期数と前記第２周期数とは互いに異なることを特徴とする回転角・トルクセンサ。
【００１６】
本発明によれば、第１及び第２のシャフトそれぞれの機械角を算出する際には、第１及び第３の磁界センサの出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、第２及び第４の磁界センサの出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて算出を行うこととしたとともに、第１周期数と第２周期数とが互いに異なることとしたので、軸ぶれをキャンセルでき、かつトルクセンサと回転角センサ両方の機能を実現できる。
【００１７】
上記回転角・トルクセンサにおいて、前記第１周期数が偶数である場合、前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、前記第１周期数が奇数である場合、前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置からさらに前記第１の磁界の半周期分ずれた位置に配置され、前記第２周期数が偶数である場合、前記第４の磁界センサは、前記第２の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、前記第２周期数が奇数である場合、前記第４の磁界センサは、前記第３の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置からさらに前記第２の磁界の半周期分ずれた位置に配置され、前記第１及び第２の演算はともに加算演算であることとしてもよい。
【００１８】
また、上記回転角・トルクセンサにおいて、前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、前記第４の磁界センサは、前記第２の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、前記第１周期数が偶数である場合、前記第１の演算は加算演算であり、前記第１周期数が奇数である場合、前記第１の演算は差動演算であり、前記第２周期数が偶数である場合、前記第２の演算は加算演算であり、前記第２周期数が奇数である場合、前記第２の演算は差動演算であることとしてもよい。
【００１９】
また、上記各回転角・トルクセンサにおいて、前記演算手段は、前記第１及び第３の磁界センサの出力に前記第１の演算を施すことにより得られる前記演算出力に基づいて前記第１のシャフトの電気角を算出し、前記第２及び第４の磁界センサの出力に前記第２の演算を施すことにより得られる前記演算出力に基づいて前記第２のシャフトの電気角を算出し、前記第１のシャフトの電気角と前記第２のシャフトの電気角との差分を示す電気角差信号を生成し、前記電気角差信号と前記第１のシャフトの前記電気角と前記第１周期数とに基づいて前記第１のシャフトの機械角を算出し、前記電気角差信号と前記第２のシャフトの前記電気角と前記第２周期数とに基づいて前記第２のシャフトの機械角を算出することとしてもよい。
【００２０】
また、上記回転角・トルクセンサにおいて、前記第１の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第１及び第２の磁気抵抗素子を有し、前記第１及び第２の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、前記第２の磁界センサは、前記第２のシャフトの回動方向に沿って並置された第３及び第４の磁気抵抗素子を有し、前記第３及び第４の磁気抵抗素子は、前記第２の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、前記第３の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第５及び第６の磁気抵抗素子を有し、前記第５及び第６の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、前記第４の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第７及び第８の磁気抵抗素子を有し、前記第７及び第８の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、前記演算手段は、前記第１及び第３の磁気抵抗素子の出力に前記第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第５及び第６の磁気抵抗素子の出力に前記第１の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第１のシャフトの前記電気角を算出するとともに、前記第２及び第４の磁気抵抗素子の出力に前記第２の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第７及び第８の磁気抵抗素子の出力に前記第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第２のシャフトの前記電気角を算出することとしてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、軸ぶれをキャンセルでき、かつトルクセンサと回転角センサ両方の機能を有する回転角・トルクセンサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態による回転角・トルクセンサの断面構造を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図３】ＧＭＲ素子を通過する磁束密度と、ＧＭＲ素子の出力信号との関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態による演算回路内部の機能ブロックを示す図である。
【図５】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態による出力信号の具体的な例を示す図である。（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による電気角算出部の演算途中で得られる信号の波形を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態による電気角算出部の演算途中で得られる信号の波形を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の変形例による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図８】横軸をステアリングの機械角とし、縦軸を電気角として、本発明の第１の実施の形態による電気角及び電気角差信号をプロットした図である。
【図９】（ａ）（ｂ）は、メモリーに記録した演算値と操舵角の関係を利用して機械角を求める変形例の説明図である。
【図１０】（ａ）（ｂ）はそれぞれ、トルクが＋１ｄｅｇ，−１ｄｅｇである場合における、第１及び第２のシャフトの各電気角、電気角差信号、及び小数点を切り捨てた第１の周期数判定信号を表す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図１３】（ａ）（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態による信号合成増幅回路の出力信号を示す図である。（ｃ）は、横軸をステアリングの操舵角とし、縦軸を電気角として、電気角及び電気角差信号をプロットした図である。
【図１４】トルクが＋，０，−である場合における、第１及び第２のシャフトの電気角、及び電気角差信号を示す図である。
【図１５】磁石ローターの軸ぶれについて説明するための説明図である。
【図１６】（ａ）（ｂ）はそれぞれ、図１５の各状態での磁気抵抗素子からの出力信号を示す図である。
【図１７】（ａ）は、軸ぶれによる影響を受けた磁気抵抗素子からの出力信号の実測値を示す図である。（ｂ）は、信号合成増幅回路で合成された信号の実測値を示す図である。
【図１８】周期数が奇数である磁石ローターの平面図である。
【図１９】本発明の第４の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図２０】（ａ）は、本発明の第４の実施の形態による信号合成増幅回路の出力信号を示す図である。（ｂ）は、横軸をステアリングの操舵角とし、縦軸を電気角として、電気角及び電気角差信号をプロットした図である。
【図２１】本発明の第５の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図２２】本発明の第６の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図２３】（ａ）は、図２に示した回転角・トルクセンサ（ただし、磁石ローターの周期数は５とした。）において、第１のシャフトをＣＷ（時計回り）方向及びＣＣＷ（反時計回り）方向にそれぞれ回転させた場合の、磁気抵抗素子からの出力信号（実測値）を示す図である。（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の断面構造を示す図である。同図に示すように、回転角・トルクセンサ１００は、それぞれ回転軸Ａの周りを回動可能に構成された第１及び第２のシャフト４，５と、第１及び第２のシャフト４，５を接続するトーションバー６と、第１のシャフト４に対して固定された磁石ローター１（第１の磁界生成手段）と、第２のシャフト５に対して固定された磁石ローター２（第２の磁界生成手段）と、磁石ローター１から生ずる磁界（第１の磁界）を検出する第１の磁気センサ１０と、磁石ローター２から生ずる磁界（第２の磁界）を検出する第２の磁気センサ１１とを備えている。トーションバー６は、図示した領域４ａにおいて第１のシャフト４と固着し、領域５ａにおいて第２のシャフト５と固着している。また、第１及び第２の磁気センサ１０，１１は回転軸Ａに対して固定されており、第１及び第２のシャフト４，５の回動に伴ってこれらが動くことはない。
【００２５】
回転角・トルクセンサ１００は自動車のステアリングと車軸の間に設けられる。つまり、図示していないが、第１のシャフト４がステアリングに、第２のシャフト５が車軸に、それぞれ接続されている。運転手がステアリングを回転させると、第１のシャフト４がステアリングとともに回転する。この回転はトーションバー６を介して第２のシャフト５に伝達し、さらに第２のシャフト５から車軸に伝達する。
【００２６】
回転角・トルクセンサ１００は、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）が必要とするトルク（ステアリングと車軸の回転角の差）と、横滑り防止装置（ＥＳＣ）が必要とするステアリングの操舵角とを検出可能に構成されている。概略を説明すると、回転角・トルクセンサ１００は、まず、第１及び第２の磁気センサ１０，１１の出力に基づいて、第１及び第２のシャフト４，５それぞれの機械角（所定の基準ポジションからの物理的な回転角）を算出する。こうして求められる第１のシャフト４の機械角は、ステアリングの操舵角として出力される。回転角・トルクセンサ１００はさらに、算出した第１及び第２のシャフトそれぞれの機械角に基づいて、第１のシャフト４（又は第２のシャフト５）にかかるトルクを算出する。以下、トルクとステアリングの操舵角とを検出するための具体的な構成及び演算方法について、詳しく説明する。
【００２７】
図２は、本発明の第１の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。同図は、図１に示した回転角・トルクセンサ１００を簡略化して描いた模式図と、磁石ローター１，２の平面図と、回転角・トルクセンサ１００の機能ブロック図とを含んでいる。
【００２８】
磁石ローター１，２はそれぞれ、図２に示すように、外周面にＮ極とＳ極とが交互に現れるように着磁された、リング形状の多極磁石である。磁石ローター１は第１のシャフト４と一体となって回転し、磁石ローター２は第２のシャフト５と一体となって回転する。磁石ローター１，２に使用される磁石としては、例えば、フェライト系、アルニコ系、サマリウムコバルト系、ネオジム系、ボンドマグネットなどが好適である。
【００２９】
磁石ローター１は、回転軸に垂直な平面に回転軸を中心に円を描いた時の円周方向に、１０対の磁極ペアを有している。これら１０対の磁極ペアのサイズ（ピッチ）は互いに同一である。磁石ローター１がこのような構成を有することにより、第１のシャフト４の周囲には、その回動方向に沿って周期数１０（第１周期数）の周期的な磁界（第１の磁界）が生成される。言い換えると、磁石ローター１は、第１のシャフト４の回転に応じて、第１の磁気センサ１０の位置に第１周期数の周期的な第１の磁界を生成する。ここで、周期数とは、１回転分の周期の数である。磁石ローター１の磁極ペアが１０対である場合には、第１のシャフト４が１回転する間に、第１の磁気センサ１０では１０周期分の磁界変動が観測される。したがって、第１の磁界の周期数は１０となる。
【００３０】
磁石ローター２は、回転軸に垂直な平面に回転軸を中心に円を描いた時の円周方向に、９対の磁極ペアを有する。これら９対の磁極ペアのサイズ（ピッチ）も互いに同一である。磁石ローター２がこのような構成を有することにより、第２のシャフト５の周囲には、その回動方向に沿って周期数９（第２周期数）の周期的な磁界（第２の磁界）が生成される。言い換えると、磁石ローター２は、第２のシャフト５の回転に応じて、第２の磁気センサ１１の位置に第２周期数の周期的な第２の磁界を生成する。
【００３１】
なお、ここでは第１周期数と第２周期数がそれぞれ１０，９である場合を示しているが、第１周期数及び第２周期数の値はこれに何ら限定されるものではなく、少なくとも互いに異なっていればよい。より好ましくは、第１周期数と前記第２周期数とが互いに素であることが好ましい。また、第１周期数と前記第２周期数との差は１であることが好ましい。
【００３２】
第１の磁気センサ１０は、図２に示すように、２つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ（第１及び第２の磁気抵抗素子）から構成される。磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂは第１のシャフト４の回動方向に沿って、磁石ローター１と同一平面内に並置されており、その間隔は第１の磁界の１／４周期分となっている。言い換えると、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂは、第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置される。ここでは第１周期数が１０であるので、第１の磁界の１／４周期分は、回転角にして９ｄｅｇに相当する。
【００３３】
第２の磁気センサ１１も、同様に、２つの磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ（第３及び第４の磁気抵抗素子）から構成される。磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂは第２のシャフト５の回動方向に沿って並置されており、その間隔は第２の磁界の１／４周期分となっている。言い換えると、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂは、第２の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置される。ここでは第２周期数が９であるので、第２の磁界の１／４周期分は、回転角にして１０ｄｅｇに相当する。
【００３４】
なお、磁気抵抗素子１０ａ〜１１ｂは、互いに区別するために異なる符号を付してあるが、実質的には全て同一の構成を有している。このため、以下の説明において個々の磁気抵抗素子を区別する必要がない場合には、単に磁気抵抗素子と称する。後掲の磁気抵抗素子１２ａなどについても同様である。
【００３５】
磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂとして具体的には、ＧＭＲ素子、ＭＲ素子、ＡＭＲ素子、ＴＭＲ素子などを用いることが好適である。各磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ構成としてもよく、或いはフルブリッジ構成としてもよい。
【００３６】
ＧＭＲ素子について特に説明すると、ＧＭＲ素子である磁気抵抗素子は、磁化方向が特定の方向に設定されていて、外部磁界の変位に対して磁化状態（例えば、磁化方向や磁化の強さ）が影響を受けないように構成されたピン磁性層と、外部磁界の変化によって磁化状態が変位するフリー磁性層とを備えている。磁石ローター１，２が回転すると、磁石ローター１，２から磁気抵抗素子に影響を与える磁束のベクトルが、回転に応じた周期的な変化を呈する。このベクトルの変化によって磁気抵抗素子内のフリー磁性層の磁化状態が変動し、磁化状態が変動しないピン磁性層の磁化状態と、磁化状態が変動するフリー磁性層との間に磁化状態の変位差が発生する。この磁化状態の変位差は、磁石ローター１，２の回転角度を反映する物理量であり、具体的には、磁気抵抗素子の抵抗値の変化として現れる。磁気抵抗素子にはバイアス電流が供給されており、磁気抵抗素子の抵抗値が変化すると、その両端の電圧が変化する。この電圧変化が、磁気抵抗素子の出力信号となる。
【００３７】
図３は、ＧＭＲ素子を通過する磁束密度と、ＧＭＲ素子の出力信号との関係を示す図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００を設計する際には、ＧＭＲ素子のヒステリシスの発生を少なくするため、ＧＭＲ素子のフリー磁性層の長手方向とピン固定磁性層の磁化方向（ピン方向）とが直交するように設計するとともに、磁石ローター１，２からの磁束密度、又は後述する多極ローター（図１０他）とＧＭＲ素子のギャップがＧＭＲ素子の出力に対応するように設計することが好ましい。なお、ＧＭＲ素子が飽和する領域までの磁束密度をＧＭＲ素子に与えることで、ＧＭＲ素子の抵抗値の変化を、磁束密度の変化には影響されない、磁石ローターからの磁束のベクトルの影響のみとすることが可能になる。
【００３８】
磁石ローター１が回転すると、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂにおいて、回転に伴う磁束ベクトルの変化に応じた、フリー磁性層の磁化状態の変動が発生する。このため、磁化状態が変動しないピン磁性層の磁化状態との間に磁化状態の変位差が発生し、これが、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂの抵抗値の変化として現れる。上述したように、各磁気抵抗素子にはバイアス電流が供給されており、その抵抗値の変化は、出力信号の変化として検出される。
【００３９】
磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂからの出力信号は、磁石ローター１の回転に伴う磁束ベクトルの変化に応じて変化し、その波形は概ね正弦波となる。つまり、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂからの出力信号は略正弦波信号である。磁石ローター１が１回転する間に、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂからは、第１周期数分の略正弦波信号が出力される。
【００４０】
磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂについても同様である。すなわち、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂからの出力信号は略正弦波信号となり、磁石ローター２が１回転する間に、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂからは、第２周期数分の略正弦波信号が出力される。
【００４１】
さて、回転角・トルクセンサ１００は、図２の機能ブロック図に示すように、４つの増幅回路２０〜２３と、演算回路３０（演算手段）とを備えている。増幅回路２０〜２３はそれぞれ磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂから出力される信号を所定の増幅率で増幅し、演算回路３０に出力する回路である。以下では、ステアリングシャフトの回転に伴って増幅回路２０〜２３から出力される信号を、それぞれ出力信号Ｓ２０，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３と称する。出力信号Ｓ２０，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３は、略正弦波状の振幅を有する信号となる。
【００４２】
磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂが上記のような配置を有することから、出力信号Ｓ２０と出力信号Ｓ２１とでは、位相が９０ｄｅｇ異なることになる。つまり、出力信号Ｓ２０が正弦波（ｓｉｎ）であるとすると、出力信号Ｓ２１は余弦波（ｃｏｓ）となる。同様に、出力信号Ｓ２２と出力信号Ｓ２３とでも、位相が９０ｄｅｇ異なることになる。つまり、出力信号Ｓ２２が正弦波（ｓｉｎ）であるとすると、出力信号Ｓ２３は余弦波（ｃｏｓ）となる。
【００４３】
演算回路３０は、出力信号Ｓ２０，Ｓ２１に基づいて第１のシャフト４の電気角φ１（対応する磁石ローターによって生成される磁界の周期数と同一周期数の周期的な角度信号）を検出するとともに、出力信号Ｓ２２，Ｓ２３に基づいて第２のシャフト５の電気角φ２を検出する。そして、これら電気角φ１，φ２に所定の演算を施すことにより、第１のシャフト４の機械角θ１と第２のシャフト５の機械角θ２とを求め、最終的には、ステアリングの操舵角とトルクとを算出する。以下、具体的な演算の方法について、図面を参照しながら詳しく説明する。
【００４４】
図４は、演算回路３０内部の機能ブロックを示す図である。同図に示すように、演算回路３０は、電気角算出部３１，３２、電気角差信号生成部３３、周期数判定信号生成部３４，３５、機械角算出部３６，３７、トルク算出部３８を有している。
【００４５】
電気角算出部３１は、出力信号Ｓ２０，Ｓ２１に基づいて第１のシャフト４の電気角φ１を算出する機能部である。以下、具体的な出力信号Ｓ２０，Ｓ２１の具体的な信号波形を参照しながら、電気角算出部３１の処理について詳しく説明する。
【００４６】
図５（ａ）は、出力信号Ｓ２０，Ｓ２１の具体的な例を示す図である。図５（ｂ）及び図６は、電気角算出部３１の演算途中で得られる信号の波形を示す図である。各図において、横軸の「操舵角」は、ステアリングの操舵角を表している。
【００４７】
運転手がステアリングを回転させると、つまり、第１のシャフト４が回転すると、図５（ａ）に示すように、ｓｉｎに近似した信号Ｓ２０が増幅回路２０から出力される。また、信号Ｓ２０と位相が９０ｄｅｇ異なる信号Ｓ２１（ｃｏｓに近似した信号）が増幅回路２１より出力される。
【００４８】
電気角算出部３１は、信号Ｓ２０（第１の出力信号）と信号Ｓ２１（第２の出力信号）とから、第１のシャフトの電気角φ１を求めて出力する。具体的には、次のようにして電気角φ１を算出する。すなわち、まず、信号Ｓ２０と信号Ｓ２１とを絶対値で比較し、信号Ｓ２１の絶対値の方が大きい場合には、第１の出力信号を第２の出力信号で除した結果Ｓ２０／Ｓ２１（ｔａｎに近似した信号）を、信号Ｓ２０の絶対値の方が大きい場合には、第２の出力信号を第１の出力信号で除した結果Ｓ２１／Ｓ２０（１／ｔａｎに近似した信号）を算出する。図５（ｂ）は、この算出の結果得られる演算値を示している。
【００４９】
得られた演算値は、図５（ｂ）から明らかなように、電気角φ１と一対一対応していない。したがって、この演算値から電気角φ１を直接求めることはできない。そこで、電気角算出部３１は、図５（ａ）に示す範囲Ｒ１〜Ｒ４ごとに異なる数値を上記演算値に加算することで、演算値と電気角φ１とが一対一に対応するようにしている。
【００５０】
具体的には、信号Ｓ２０と信号Ｓ２１が範囲Ｒ１にある場合、すなわち信号Ｓ２０の絶対値が信号Ｓ２１の絶対値より大きく、かつ信号Ｓ２０が０より大きい場合には、Ｓ２１／Ｓ２０に所定値３（第１の値）を加算してなるＳ２１／Ｓ２０＋３（第１の演算値）を演算結果とする。信号Ｓ２０と信号Ｓ２１が範囲Ｒ２にある場合、すなわち信号Ｓ２１の絶対値が信号Ｓ２０の絶対値より大きく、かつ信号Ｓ２１が０より小さい場合には、Ｓ２０／Ｓ２１に所定値５（第２の値）を加算してなるＳ２０／Ｓ２１＋５（第２の演算値）を演算結果とする。信号Ｓ２０と信号Ｓ２１が範囲Ｒ３にある場合、すなわち信号Ｓ２０の絶対値が信号Ｓ２１の絶対値より大きく、かつ信号Ｓ２０が０より小さい場合には、Ｓ２１／Ｓ２０に所定値７（第３の値）を加算してなるＳ２１／Ｓ２０＋７（第３の演算値）を演算結果とする。その他の場合、すなわち信号Ｓ２０と信号Ｓ２１が範囲Ｒ４にある場合には、Ｓ２０／Ｓ２１に所定値１（第４の値）を加算してなるＳ２０／Ｓ２１＋１（第４の演算値）を演算結果とする。
【００５１】
図６は、以上のようにして求められる演算値を示している。同図から明らかなように、この演算値は電気角と一対一対応している。したがって、演算値から電気角φ１を求めることが可能になる。電気角算出部３１は、こうして求めた電気角φ１を出力する。
【００５２】
電気角算出部３２は、信号Ｓ２２と信号Ｓ２３とから、第２のシャフトの電気角φ２を求めて出力する。電気角算出部３２の処理は、上述した電気角算出部３１の処理と同様であるから、詳しい説明は割愛する。
【００５３】
なお、図６に示す演算値を求める際、上記説明では、Ｓ２０／Ｓ２１又はＳ２１／Ｓ２０に最低でも１を足しているが、これは、演算値が負数にならないようにするためである。負数になっても構わない場合には、Ｓ２０／Ｓ２１又はＳ２１／Ｓ２０に加算する数値をより小さな値としてもよい。
【００５４】
また、ここでは出力信号から一旦ｔａｎ信号を算出することで電気角φ１，φ２を求めたが、もちろん、ｓｉｎ信号又はｃｏｓ信号から直接電気角φ１，φ２を求めてもよい。電気角φ１，φ２のうち一方をｔａｎ信号から算出し、他方をｓｉｎ信号又はｃｏｓ信号から直接算出することとしてもよい。第１のシャフト４の回転に応じて各増幅回路２０〜２３から出力される信号に対して電気角φ１，φ２が一意に決まるのであれば、どのような演算方法を用いてもよい。
【００５５】
また、理想的な正弦波が出力されている場合は、上述した演算で確実に電気角φ１，φ２を求めることが可能となるが、実際の出力信号は、必ずしも理想的な正弦波形とはならない。そこで、演算値と電気角の関係をあらかじめテーブル化してメモリに記録し、メモリと演算値を照合することで、電気角を求めることとしてもよい。
【００５６】
テーブル化を採用する変形例について、具体的に説明する。図７は、本変形例による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す図である。同図に示すように、本変形例による回転角・トルクセンサ１００は、記憶装置３９（記憶手段）を有する点で、図２に示した回転角・トルクセンサ１００と異なっている。以下、図２に示した回転角・トルクセンサ１００との相違点を中心に詳しく説明する。
【００５７】
記憶装置３９は、所定範囲の数値データと角度データとを一対一に対応付けたテーブルを記憶する。ここでいう所定範囲とは、図６に示した演算値（上述した第１〜第４の演算値）が取り得る値の最大値と最小値の間の範囲である。なお、記憶装置３９は、電気角算出部３１，３２のそれぞれについて、上記テーブルを記憶することとしてもよい。
【００５８】
上述したように、電気角算出部３１は、信号Ｓ２１，Ｓ２１の値に応じて第１〜第４の演算値のいずれかを算出している。電気角算出部３１は、こうして算出した各演算値に等しい数値データと対応付けて記憶される角度データを記憶装置３９から読み出し、電気角φ１の算出結果として出力する。
【００５９】
上述した例に即してより具体的に説明すると、電気角算出部３１は、信号Ｓ２０と信号Ｓ２１が範囲Ｒ１にある場合には、第１の演算値Ｓ２１／Ｓ２０＋３を算出する。そして、この第１の演算値Ｓ２１／Ｓ２０＋３に等しい数値データと対応付けて記憶される角度データを記憶装置３９から読み出し、電気角φ１の算出結果として出力する。詳しい説明は割愛するが、第２〜第４の演算値についても同様である。
【００６０】
電気角算出部３２も、電気角算出部３１と同様の処理を行う。つまり、信号Ｓ２２，Ｓ２３の値に応じて第１〜第４の演算値のいずれかを算出し、算出した各演算値に等しい数値データと対応付けて記憶される角度データを記憶装置３９から読み出し、電気角φ２の算出結果として出力する。
【００６１】
以上説明したように、演算値と電気角の関係をあらかじめテーブル化しておくことによっても、電気角φ１，φ２を求めることが可能になる。
【００６２】
さて、図８は、横軸をステアリングの機械角とし、縦軸を電気角として、電気角φ１，φ２をプロットした図である。同図に示されるように、電気角φ１，φ２はそれぞれ、周期数１０，９の周期信号となっている。これらの周期数は、磁石ローター１，２の外周面に設けられた磁極の数によって決まっている。
【００６３】
電気角差信号生成部３３は、第１のシャフト４の電気角φ１と第２のシャフト５の電気角φ２との差分を示す電気角差信号Ｄを生成して出力する。具体的には、φ１≧φ２である場合にはＤ＝φ１−φ２により電気角差信号Ｄを生成し、それ以外の場合にはＤ＝３６０ｄｅｇ＋φ１−φ２により電気角差信号Ｄを生成する。
【００６４】
図８には、トルクが０であると仮定した場合の電気角差信号Ｄも示している。同図に示すように、電気角差信号Ｄは、ステアリングの操舵角と一対一に対応している。このような一対一対応は、第１周期数と第２周期数を適切に選択することにより実現できる。仮にトルクが０であることが予め分かっているとするならば、電気角差信号Ｄから直接ステアリングの操舵角を求めることができる。
【００６５】
しかし、実際にはトルクが０でない場合を想定しなければならないので、ステアリングの操舵角を求めるために、周期数判定信号生成部３４，３５以降の機能部において、さらなる演算処理を行う。この演算処理では、トルクも算出される。以下、詳しく説明する。
【００６６】
周期数判定信号生成部３４は、電気角差信号Ｄと第１のシャフト４の電気角φ１と第１周期数Ｐ１（＝１０）とに基づいて、第１の磁界の周期を示す第１の周期数判定信号Ｊ１を生成する。具体的には、まず、次の式（１）で表される信号Ｊ'１を算出し、算出した信号Ｊ'１に所定の数値ｎを加算することにより、第１の周期数判定信号Ｊ１を生成する。式で表すと、次の式（２）のようになる。数値ｎ１を加算するのは、後の処理の便宜のためである。すなわち、数値ｎ１を適切に選択することで、第１の周期数判定信号Ｊ１の小数点未満を切り捨てるだけで、基準ポジションからの第１のシャフト４の回転周期数を示す値が得られるようになる。ただし、式（２）の計算では、第１の周期数判定信号［Ｊ１］は０からＰ１＋１までの値をとる。そのため、計算の結果［Ｊ１］＝０となる場合は［Ｊ１］＝Ｐ１と置き換え、［Ｊ１］＝Ｐ１＋１となる場合は［Ｊ１］＝１と置き換えることが好ましい。数値ｎ１の具体的な値としては、トルクがかからない状態でφ1＝φ2=０となる場合には、１．５とすることが好ましい。トルクが発生する状態では、１．５からずれる値とすることとしてもよい。
【００６７】
【数１】
【００６８】
数値ｎ１の具体的な値について、より詳しく説明する。例えば、トルクがかからない状態で電気角差信号Ｄが０となる場合の第１のシャフト４の電気角φ１と第２のシャフト５の電気角φ２の値をφＥとする、すなわち、φ１＝φ２＝φＥとすると、ｎ１＝（３６０−φＥ）／３６０＋０．５＋ｍとするとよい。ここで、ｍは任意の整数であり、計算機を用いた計算では０または１とすると都合がよい場合が多い。これ以外の方法でも、トルクが０の状態でＪ１の小数点未満が０．５に近くなるようにｎ１を設定するのが望ましい。また、同時にＪ１の整数部分が周期数または周期数から１を減じた値となるようにｎ１を設定するのが望ましい。それ以外の値でも周期数を求めることは可能であり、ｎ１はこの値に限るものではない。
【００６９】
機械角算出部３６は、第１の周期数判定信号Ｊ１と第１のシャフト４の電気角φ１と第１周期数Ｐ１（＝１０）とに基づいて、第１のシャフト４の機械角θ１を算出する。具体的には、次の式（３）により、機械角θ１を算出する。［ ］はガウス記号であり、［ ］内の数字の小数点を切り捨てる演算を意味している。こうして求められる第１のシャフト４の機械角θ１は、ステアリングの操舵角に他ならない。
【００７０】
【数２】
【００７１】
なお、実際には磁石ロータ１，２の精度には限界があるため、電気角周期ごとに機械角と入力信号の関係を予め記録して図示しないメモリーに格納し、上記［Ｊ１］の値から周期数を求め、周期数と入力信号より演算される値からメモリーを参照して、機械角θ１を求めてもよい。つまり、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂから得られる波形の電気角周期数に対する繰り返し精度が高ければ上記のような方法でも求めることができるが、繰り返し精度が悪い場合には、メモリーに記録した演算値と操舵角の関係を使用するとよい。具体的には、図６の演算値を、機械角１周に対して記録する。すると、図９（ａ）のような波形となる。その演算値に周期数×８を加えると、図９（ｂ）の波形となる。図９（ｂ）では、機械角１周分にわたって機械角と演算値とが１対１に対応しているので、演算値から機械角を精度よく求めることが可能となる。
【００７２】
図１０（ａ）（ｂ）はそれぞれ、トルクが＋１ｄｅｇ，−１ｄｅｇである場合における、第１及び第２のシャフト４，５の各電気角φ１，φ２、電気角差信号Ｄ、及び小数点を切り捨てた第１の周期数判定信号［Ｊ１］を表す図である。なお、同図に示す第１の周期数判定信号［Ｊ１］では、上述した置き換え（式（２）の計算の結果［Ｊ１］＝０となる場合は［Ｊ１］＝Ｐ１と置き換え、［Ｊ１］＝Ｐ１＋１となる場合は［Ｊ１］＝１と置き換える。）を行っている。
【００７３】
図１０（ａ）（ｂ）に示されるように、小数点を切り捨てた第１の周期数判定信号［Ｊ１］は、トルクの値によらず、第１のシャフト４の電気角φ１が３６０ｄｅｇから０ｄｅｇに変化するところで１段上がる階段状関数となっている。このことは、第１の周期数判定信号［Ｊ１］が、基準ポジションからの第１のシャフト４の回転周期数を表していことを示している。したがって、第１の周期数判定信号［Ｊ１］を用いることで、第１のシャフト４の機械角θ１を算出することが可能になっている。
【００７４】
例えば、第１の周期数判定信号［Ｊ１］を用いることで、トルクが＋１ｄｅｇの場合である図１０（ａ）と−１ｄｅｇの場合である（ｂ）でともに、φ１が操蛇角０〜３６度で、周期数が１であると判定が可能となる。図１０（ａ）のφ１が操蛇角８度近傍未満で第１の周期数判定信号［Ｊ１］が１１となっているが、第１の周期数判定信号［Ｊ１］が第１周期数Ｐ１（＝１０）を超えた場合は、第１周期数Ｐ１（＝１０）を減じることとすることにより、０度から３６度で第１の周期数判定信号［Ｊ１］は同じ値となる。よって、第１の周期数判定信号［Ｊ１］を用いることで、第１のシャフト４の機械角θ１を算出することが可能になっている。
【００７５】
周期数判定信号生成部３５の処理は、周期数判定信号生成部３４と同様である。すなわち、周期数判定信号生成部３５は、電気角差信号Ｄと第２のシャフト５の電気角φ２と第２周期数Ｐ２（＝９）とに基づき、次の式（４）及び式（５）により、第２の磁界の周期を示す第２の周期数判定信号Ｊ２を生成する。そして、第２の周期数判定信号Ｊ２と第２のシャフト５の電気角φ２と第２周期数Ｐ２（＝９）とに基づき、次の式（６）により、第２のシャフト５の機械角θ２を算出する。数値ｎ２は、上述した数値ｎ１と同様、トルクが０の状態でＪ２の小数点未満が０．５に近くなるように設定することが望ましい。
【００７６】
【数３】
【００７７】
トルク算出部３８は、以上のようにして算出された第１のシャフト４の機械角θ１と第２のシャフト５の機械角θ２とに基づいて、第１のシャフト４にかかるトルクを算出する。具体的には、機械角θ１と機械角θ２の差分θ１−θ２を算出し、トルクとして出力する。
【００７８】
以上説明したように、本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００によれば、回転する磁界を生成するための磁界生成手段を２つだけ用いる回転角・トルクセンサを提供することが実現される。それゆえ、車両の省スペース化にも貢献できる。
【００７９】
なお、以上の方法で求められるトルクには、検出可能範囲に制限がある。例えば、第１周期数Ｐ１＝１０、第２周期数Ｐ２＝９である場合を例にとると、トルクの検出可能範囲は−２ｄｅｇ〜＋２ｄｅｇとなる。これは、トルクがこの範囲を超えると周期数判定が正しくできなくなり、回転角・トルクが正しく検出できなくなることによるものである。
【００８０】
一般化すると、トルクの検出可能範囲Δθは、第１周期数Ｐ１及び第２周期数Ｐ２を用いて、次の式（７）のように表される。
【００８１】
【数４】
【００８２】
第１のシャフト４が電気角１周期分回転した場合、電気角差信号Ｄは、３６０×（１−Ｐ２／Ｐ１）ｄｅｇだけ変化する。第１のシャフト４が正方向に回転した場合と負方向に回転した場合を考慮する必要があるため、周期数を検出するためには、許容される電気角差信号Ｄの変化は、その半分の１８０×（１−Ｐ２／Ｐ１）ｄｅｇとなる。第２のシャフト５が第１のシャフト４に対して機械角Δθｄｅｇだけ回転した（トーションバー６がΔθｄｅｇねじれた）場合、第２のシャフト５の電気角φ２は（電気角差信号Ｄも同様）、Ｐ２×Δθｄｅｇだけ変化する。電気角差信号Ｄの変化が許容電気角差以内であれば周期数が正しく検出される。つまり、Ｐ２×Δθの絶対値が１８０×（１−Ｐ２／Ｐ１）の絶対値より小さければ、周期数が正しく検出される。したがって、式（７）のようにトルクの検出可能範囲Δθが求められる。
【００８３】
なお、回転角センサの分解能はＡ／Ｄコンバータで決まることが多いため、機械角１周期に対する電気角の周期数は多い方が好ましいが、周期数を多くすると、式（７）より検出可能なトルク範囲が狭くなってしまう。電源投入時にトルクがかからないならば、電源投入時に電気角差から絶対角を求め、それ以降は電気角の周期数をメモリに記録する方式とすることにより、機械角１周期に対する電気角周期数の条件を無くすことが可能となる。
【００８４】
電源投入時にトルクがかかることが懸念される場合で、一般的に車で使用されるトルクセンサのトルク検出範囲である±５ｄｅｇの範囲を検出可能なトルクセンサを作成したい場合には、Ｐ１＝６、Ｐ２＝５とすればよい。このようにすることで、｜Δθ｜＜６となり、±５ｄｅｇの範囲を検出可能となる。また、Ｐ１とＰ２の差が１なので、好適にステアリングの機械角とトルクを検出することができるようになる。
【００８５】
図１１は、本発明の第２の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、磁石ローター１，２に代えて多極ローター７，８を有する点と、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂの近傍にそれぞれバイアス磁石４０ａ，４０ｂが配置され、かつ磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂの近傍にそれぞれバイアス磁石４１ａ，４１ｂが配置される点の２点で、第１の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と相違する。以下、相違点を中心に詳しく説明する。
【００８６】
第１のシャフト４には、第１のシャフト４と同軸で一体となって回転するリング形状の多極ローター７が取り付けられている。多極ローター７は、回転軸Ａに垂直な平面に回転軸Ａを中心に円を描いた時の円周方向に、第１周期数Ｐ１と同数（図１１では５個）の凸部を有する。各凸部は一定間隔で配置され、かつ互いに同一な形状を有している。
【００８７】
第２のシャフト５には、第２のシャフト５と同軸で一体となって回転するリング形状の多極ローター８が取り付けられている。多極ローター８は、回転軸Ａに垂直な平面に回転軸Ａを中心に円を描いた時の円周方向に、第２周期数Ｐ２と同数（図１１では６個）の凸部を有する。各凸部は一定間隔で配置され、かつ互いに同一な形状を有している。
【００８８】
多極ローター７，８は、強磁性体によって構成される。具体的には、鉄・コバルト・ニッケルなどを好適に用いることができる。
【００８９】
磁気抵抗素子１０ａは、多極ローター７と同一平面上で多極ローター７と対向する位置に配置され、磁気抵抗素子１０ｂは、多極ローター７と同一平面上で多極ローター７と対向し、多極ローター７の回転中心を中心として、磁気抵抗素子１０ａとなす角が１８ｄｅｇとなるように配置される。
【００９０】
バイアス磁石４０ａは、磁気抵抗素子１０ａを回転軸方向に平行移動した位置で、できる限り磁気抵抗素子１０ａに近づけて配置される。同様に、バイアス磁石４０ｂは、磁気抵抗素子１０ｂを回転軸方向に平行移動した位置で、できる限り磁気抵抗素子１０ｂに近づけて配置される。
【００９１】
磁気抵抗素子１１ａは、多極ローター８と同一平面上で多極ローター８と対向する位置に配置され、磁気抵抗素子１１ｂは、多極ローター８と同一平面上で多極ローター８と対向し、多極ローター８の回転中心を中心として、磁気抵抗素子１１ａとなす角が１５ｄｅｇとなるように配置される。
【００９２】
バイアス磁石４１ａは、磁気抵抗素子１１ａを回転軸方向に平行移動させた位置で、できる限り磁気抵抗素子１１ａに近づけて配置される。同様に、磁石４１ｂは、磁気抵抗素子１１ｂを回転軸方向に平行移動させた位置で、できる限り磁気抵抗素子１１ｂに近づけて配置される。
【００９３】
バイアス磁石４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂとして使用可能な磁石としては、例えば、フェライト系、アルニコ系、サマリウムコバルト系、ネオジム系、ボンドマグネットなどが挙げられる。
【００９４】
本実施の形態では、第１のシャフト４の回転に伴い、多極ローター７と磁石４０ａ，４０ｂの距離が変化するため、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ上の磁力線の方向が変化する。つまり、多極ローター７と磁石４０ａ，４０ｂとは、協働して、第１のシャフト４の回転に応じて、第１の磁気センサ１０の位置に第１周期数Ｐ１の周期的な第１の磁界を生成する第１の磁界生成手段として機能する。つまり、多極ローター７と磁石４０ａ，４０ｂとは、協働して、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂが配置されている個所における、磁界の回転軸に対する垂直方向成分（ラジアル方向成分）を、第１のシャフト４の回転に伴って周期的に変化させる。磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂは、磁力線方向の変化を検出し、電気信号として出力する。
【００９５】
同様に、第２のシャフト５の回転に伴い、多極ローター８と磁石４１ａ，４１ｂの距離が変化するため、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ上の磁力線の方向が変化する。つまり、多極ローター８と磁石４１ａ，４１ｂとは、協働して、第２のシャフト５の回転に応じて、第２の磁気センサ１１の位置に第２周期数Ｐ２の周期的な第２の磁界を生成する第２の磁界生成手段として機能する。磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂは、磁力線方向の変化を検出し、電気信号として出力する。
【００９６】
多極ローター７は５組の凹凸を有しているため、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂは機械角に対して５倍の電気角を出力する（第１周期数Ｐ１＝５）。一方、多極ローター８は６組の凹凸を有しているため、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂは機械角に対して６倍の電気角を出力する（第２周期数Ｐ２＝６）。
【００９７】
以上の構成により、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂは、第１のシャフト４の回転に伴って互いに位相が９０ｄｅｇ異なった正弦波状の信号を出力し、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂは、第２のシャフト５の回転に伴って互いに位相が９０ｄｅｇ異なった正弦波状の信号を出力することになる。
【００９８】
なお、各磁気抵抗素子の配置は、上記のように位相が９０ｄｅｇ異なった正弦波状の信号を出力できるように決定されればよく、図１１に示した配置には何ら限定されない。
【００９９】
以上説明したように、本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の出力信号を得ることができる。したがって、本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００によっても、回転する磁界を生成するための磁界生成手段を２つだけ用いる回転角・トルクセンサを提供することが実現される。
【０１００】
図１２は、本発明の第３の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、第１及び第２の磁気センサ１０，１１に加えて第３及び第４の磁気センサ１２，１３を備える点、及び増幅回路２０〜２３に代えて信号合成増幅回路２４〜２７を備える点で、第１の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と相違する。これらの相違により、本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、各シャフトの軸ぶれの影響をキャンセルできるという格別の効果を奏する。以下、詳しく説明する。
【０１０１】
第３及び第４の磁気センサ１２，１３は、第１の実施の形態における第１及び第２の磁気センサ１０，１１と同様、それぞれ２つずつの磁気抵抗素子から構成される。具体的には、第３の磁気センサ１２は磁気抵抗素子１２ａ，１２ｂ（第５及び第６の磁気抵抗素子）から構成され、第４の磁気センサ１３は磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂ（第７及び第８の磁気抵抗素子）から構成される。磁気抵抗素子１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは、第１の実施の形態で磁気抵抗素子１０ａ等について説明したものと同様の原理により、対応する磁石ローターの回転に応じて、略正弦波信号を出力する。
【０１０２】
以下では、第１周期数が偶数（例えば１０）であり、第２周期数が奇数（例えば９又は１１）であるとして説明する。
【０１０３】
磁気抵抗素子１０ａと磁気抵抗素子１２ａは、回転軸Ａを通るように磁石ローター１を挟んで１８０ｄｅｇ対向に配置される。同様に、磁気抵抗素子１０ｂと磁気抵抗素子１２ｂも、回転軸Ａを通るように磁石ローター１を挟んで１８０ｄｅｇ対向に配置される。以上の配置により、磁気抵抗素子１０ａ，１２ａの各出力信号は互いに同位相となり、磁気抵抗素子１０ｂ，１２ｂの各出力信号も互いに同位相となる。また、磁気抵抗素子１２ａ，１２ｂは、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂと同様、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置される。
【０１０４】
磁気抵抗素子１１ａと磁気抵抗素子１３ａは、回転軸Ａの中心軸を通るように磁石ローター２を挟んで対向に配置するが、磁気抵抗素子１３ａは、磁気抵抗素子１１ａに対して、１８０ｄｅｇ＋磁極１極分（１／２周期分）ずらした位置に配置される。同様に、磁気抵抗素子１１ｂと磁気抵抗素子１３ｂも、回転軸Ａの中心軸を通るように磁石ローター２を挟んで対向に配置するが、磁気抵抗素子１３ｂは、磁気抵抗素子１１ｂに対して、１８０ｄｅｇ＋磁極１極分（１／２周期分）ずらした位置に配置される。以上の配置により、磁気抵抗素子１１ａ，１３ａの各出力信号は互いに同位相となり、磁気抵抗素子１１ｂ，１３ｂの各出力信号も互いに同位相となる。磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂは、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂと同様、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置される。
【０１０５】
ここで、磁気抵抗素子１３ａを磁気抵抗素子１１ａに対して１８０ｄｅｇ＋磁極１極分（１／２周期分）ずらした位置に配置した理由について、簡単に説明する。もし仮に、１８０ｄｅｇずらした位置に磁気抵抗素子１３ａを配置したとすると、第２周期数が奇数であることから、磁気抵抗素子１１ａと磁気抵抗素子１３ａとは、常時互いに異なる極性の磁極面と対向することになる。したがって、磁気抵抗素子１１ａ，１３ａの各出力信号が互いに逆位相となり、後段の信号合成増幅回路２６で合成する際、互いに打ち消しあってしまう。そこで、磁気抵抗素子１１ａ，１３ａの各出力信号が互いに同位相となるよう、磁気抵抗素子１１ａから１８０ｄｅｇ＋磁極１極分（１／２周期分）ずらした位置に、磁気抵抗素子１３ａを配置している。磁気抵抗素子１１ｂ，１３ｂについても同様である。
【０１０６】
なお、磁石ローター１，２と各磁気抵抗素子とのスラスト方向（軸心方向）の位置関係は、磁石ローター１，２の回転による軸ぶれ等によるズレを含めて、各磁気抵抗素子を飽和領域で動作させるために、磁石ローター１，２が各磁気抵抗素子から外れない位置関係とするのが望ましい。例えば、磁石ローター１，２と、磁気抵抗素子のギャップを４．０ｍｍとし、取り付け誤差±０．５ｍｍ、軸ぶれ±０．３ｍｍとすると、磁石ローター１，２の回転面内の厚み（図１２に示した幅ｗ１）は２．０ｍｍ以上が、又、スラスト方向の厚み（図１２に示した幅ｗ２）は３．０ｍｍ以上が望ましい。
【０１０７】
磁気抵抗素子１０ａ及び１２ａからの出力信号は信号合成増幅回路２４に、磁気抵抗素子１０ｂ及び１２ｂからの出力信号は信号合成増幅回路２５に、磁気抵抗素子１１ａ及び１３ａからの出力信号は信号合成増幅回路２６に、磁気抵抗素子１１ｂ及び１３ｂからの出力信号は信号合成増幅回路２７に入力される。
【０１０８】
信号合成増幅回路２４，２５はそれぞれ、入力された２つの出力信号に第１の演算を施し、さらに増幅処理も施して、演算回路３０に出力する。本実施の形態では、第１の演算は、２つの出力信号を加算する演算である。信号合成増幅回路２４，２５は、こうして出力する信号の中点電位を電源電圧の中点にシフトさせるオフセット調整も行う。
【０１０９】
信号合成増幅回路２６，２７はそれぞれ、入力された２つの出力信号に第２の演算を施し、さらに増幅処理も施して、演算回路３０に出力する。本実施の形態では、第２の演算も、２つの出力信号を加算する演算である。信号合成増幅回路２６，２７も、こうして出力する信号の中点電位を電源電圧の中点にシフトさせるオフセット調整も行う。
【０１１０】
図１３（ａ）は、信号合成増幅回路２４，２５の出力信号Ｓ２４，Ｓ２５を示す図である。また、図１３（ｂ）は、信号合成増幅回路２６，２７の出力信号Ｓ２６，Ｓ２７を示す図である。これらは、ステアリングが１回転した場合（操舵角が０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇまで変化した場合）の出力信号を示したものである。
【０１１１】
図１３（ａ）と図１３（ｂ）とでは、図から明らかなように、出力信号の波長が異なっている。これは、磁石ローター１と磁石ローター２とで、磁極数（周期数）が異なるからである。ここでは、磁石ローター１の周期数を１０、磁石ローター２の周期数を９としている。
【０１１２】
出力信号Ｓ２４，Ｓ２６は、正弦波の形状を有するｓｉｎ信号であり、出力信号Ｓ２５，Ｓ２７は、正弦波の形状を有するｃｏｓ信号である。
【０１１３】
出力信号Ｓ２４〜Ｓ２７は、演算回路３０に入力される。演算回路３０は、これら出力信号Ｓ２４〜Ｓ２７を取り込んだ後、まずＡ／Ｄ変換を行い、デジタルデータに変換する。その後、出力信号Ｓ２４と出力信号Ｓ２５とでｔａｎ演算を行い、第１のシャフト４の電気角φ１を求める。同様に、出力信号Ｓ２６と出力信号Ｓ２７とでｔａｎ演算を行い、第２のシャフト５の電気角φ２を求める。具体的な演算方法は第１の実施の形態で説明したとおりであるので、詳しい説明は省略する。
【０１１４】
図１３（ｃ）は、横軸をステアリングの操舵角とし、縦軸を電気角として、電気角φ１，φ２及び電気角差信号Ｄをプロットした図である。演算回路３０は、電気角φ１，φ２を求めた後、これらの差を示す電気角差信号Ｄを生成する。電気角差信号Ｄは、図１３（ｃ）に示すように、ステアリングの操舵角と一対一に対応する。演算回路３０は、さらに機械角θ１，θ２の算出を経て、ステアリングの操舵角とトルクを求める。この具体的な演算方法も第１の実施の形態で説明したとおりであるので、詳しい説明は省略する。
【０１１５】
図１４は、トルクが＋，０，−である場合における、第１及び第２のシャフト４，５の電気角φ１，φ２を示す図である。この図に示すようなトルクが発生した場合にも、第１の実施の形態で説明した演算方法を用いることにより、好適にステアリングの操舵角とトルクを求めることが可能となる。
【０１１６】
ここから、磁石ローター１，２のいずれか少なくとも一方に、回転軸に対する位置ずれ（軸ぶれ）が生じた場合の、各磁気抵抗素子の出力信号への影響、並びに影響をキャンセルするための具体的な構成及び演算方法について、詳しく説明する。
【０１１７】
図１５は、磁石ローター１の軸ぶれについて説明するための説明図である。ここでは、簡単のため、磁気抵抗素子については、磁気抵抗素子１０ａ，１２ａのみを示している。
【０１１８】
図１５（ａ）は軸ぶれなしの状態であり、磁石ローター１が回転しても、磁石ローター１と磁気抵抗素子１０ａ，１２ａとの位置関係が一定である。この状態で磁石ローター１が回転すれば問題ないが、実際には、図１５（ｂ）〜（ｅ）に示すように、磁石ローター１が軸ぶれを起こす場合がある。軸ぶれが起きると、磁石ローター１と磁気抵抗素子１０ａのＸ方向・Ｙ方向の位置関係が変化することとなる。
【０１１９】
図１５（ｂ）は、磁石ローター１がＸ−方向及びＹ＋方向に軸ぶれを起こし、磁気抵抗素子１０ａに近づいている状態を、図１５（ｃ）は、磁石ローター１がＸ＋方向及びＹ＋方向に軸ずれを起こし、磁気抵抗素子１２ａに近づいている状態を、図１５（ｄ）は、磁石ローター１がＸ＋方向及びＹ−方向に軸ずれを起こし、磁気抵抗素子１２ａに近づいている状態を、図１５（ｅ）は、磁石ローター１がＸ−方向及びＹ−方向に軸ずれを起こし、磁気抵抗素子１０ａに近づいている状態をそれぞれ示している。
【０１２０】
仮に、磁石ローター１がＣＷ（時計回り）方向に回転するとすると、磁気抵抗素子１０ａの出力信号の位相に関し、図１５（ｂ），図１５（ｃ）の状態では位相が遅れる方向にずれ、図１５（ｄ），図１５（ｅ）の状態では位相が進む方向にずれることとなる。
【０１２１】
図１６（ａ）は、図１５の各状態での磁気抵抗素子１０ａからの出力信号を示す図である。同図の各グラフについて示す（ ）内の英字は、図１５の枝番に対応している。図１６（ａ）からも、図１５（ｂ），図１５（ｃ）の状態では位相が遅れる方向にずれ、図１５（ｄ），図１５（ｅ）の状態では位相が進む方向にずれることが理解される。
【０１２２】
このような位相のずれか生ずるのは、軸ぶれにより、磁気抵抗素子１０ａのピン磁性層の方向にある磁石ローター１から発生する磁束ベクトル（磁束密度）が、変わるためである。
【０１２３】
軸ぶれ量が常に一定であれば、処理回路で電気的に軸ブレの影響をキャンセルすることも可能であるが、軸ぶれ量が、回転速度・回転方向・周囲環境などによりランダムに変化する場合には、そのような方法でのキャンセルは難しい。そこで、本実施の形態では、磁気抵抗素子１２ａの出力信号を利用して、軸ブレの影響をキャンセルする。以下、詳しく説明する。
【０１２４】
図１６（ｂ）は、図１５の各状態での磁気抵抗素子１２ａからの出力信号を示す図である。同図の各グラフについて示す（ ）内の英字は、図１５の枝番に対応している。図１６（ｂ）と図１６（ａ）を比較すると理解されるように、磁気抵抗素子１０ａからの出力信号が遅れ位相だと、磁気抵抗素子１２ａからは進み位相の出力信号が得られ、磁気抵抗素子１０ａからの出力信号が進み位相だと、磁気抵抗素子１２ａからは遅れ位相の出力信号が得られる。したがって、磁気抵抗素子１０ａの出力信号と磁気抵抗素子１２ａの出力信号とを合成（加算）することにより、軸ぶれが生じたとしても、その影響を打ち消して、軸ぶれによる位相ずれのない信号をつくりだすことができることになる。
【０１２５】
本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００では、このような信号合成を信号合成増幅回路２４〜２７において行っている。したがって、各シャフトの軸ぶれの影響をキャンセルすることが実現されている。
【０１２６】
図１７（ａ）は、軸ぶれによる影響を受けた磁気抵抗素子１０ａからの出力信号の実測値を示す図である。同図には、図１５（ａ）（ｃ）（ｅ）の各状態での出力信号を示している。なお、実測にあたり、磁石ローター１のぶれの大きさは、Ｘ方向，Ｙ方向それぞれについて１００μｍとした。図１７（ａ）によれば、位相ずれによる出力信号レベルの変動は約±２０ｍＶあり、換算すると、約±６ｄｅｇという非常に大きい角度誤差となる。
【０１２７】
図１７（ｂ）は、信号合成増幅回路で合成された信号Ｓ２４の実測値を示す図である。測定条件は図１７（ａ）と同一である。図１７（ｂ）から明らかなように、合成された信号Ｓ２４では、軸ぶれの影響がキャンセルされ、位相のずれがほとんど発生しなくなっている。すなわち、各シャフトの軸ぶれの影響をキャンセルすることが実現されている。
【０１２８】
ここで、磁石ローターの周期数が奇数となる場合の磁気抵抗素子の配置について、再度説明する。図１８は、周期数が奇数（具体的には９）である磁石ローター２の平面図である。同図に示すように、周期数が奇数である磁石ローター２を用いる場合に軸ぶれの影響をキャンセルするためには、２つの磁気抵抗素子を、１８０ｄｅｇではなく、１８０ｄｅｇ＋Ｓ極（又は、Ｎ極）１極分、互いにずらした位置に配置し、これらからの出力信号を合成する。こうすることで、磁石ローターの周期数が奇数であっても、磁気抵抗素子の出力信号が互いに打ち消しあってしまうことがなくなり、軸ぶれによる角度誤差の発生を抑えることが可能になる。
【０１２９】
以上説明したように、本実施形態による回転角・トルクセンサ１００によれば、磁石ローター１により生成される磁界を検出する磁気センサを２組（第１及び第３の磁気センサ１０，１２）用意するとともに、磁石ローター２により生成される磁界を検出する磁気センサを２組（第２及び第４の磁気センサ１１，１３）用意し、第１及び第３の磁気センサ１０，１２の出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、第２及び第４の磁気センサ１１，１３の出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいてステアリングの操舵角及びトルクを算出するようにしたので、ステアリングの操舵角やトルクに各シャフトの軸ぶれの影響が及ぶことを防止できる。
【０１３０】
図１９は、本発明の第４の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、磁気抵抗素子１０ｂ，１１ｂ，１２ｂ，１３ｂを有しない点、及びこれらに対応する信号合成増幅回路２５，２７を有しない点で、第３の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と相違する。以下、相違点を中心に、詳しく説明する。
【０１３１】
図２０（ａ）は、信号合成増幅回路２４，２６の出力信号Ｓ２４，Ｓ２６を示す図である。これは、ステアリングの回転に伴い、磁石ローター１及び２が１回転した場合の出力信号Ｓ２４，Ｓ２６のグラフを示したものである。出力信号Ｓ２４，Ｓ２６の波長が異なっているのは、第３の実施の形態で説明したように、磁石ローター１と磁石ローター２とで、磁極数が異なるからである。ここでは、磁石ローター１は２０極（Ｎ＋Ｓ）とし、磁石ローター２は１８極（Ｎ＋Ｓ）としている。
【０１３２】
出力信号Ｓ２４，Ｓ２６は、演算回路３０に入力される。演算回路３０は、これら出力信号Ｓ２４，Ｓ２６を取り込んだ後、まずＡ／Ｄ変換を行い、デジタルデータに変換する。その後、第１のシャフト４の電気角φ１と第２のシャフト５の電気角φ２とを算出するのであるが、ここではｔａｎ演算は使えないので、正弦波から直接各電気角を算出する。
【０１３３】
図２０（ｂ）は、横軸をステアリングの操舵角とし、縦軸を電気角として、電気角φ１，φ２及び電気角差信号Ｄをプロットした図である。この図は、前掲の図１３（ｃ）と同様であるので、以降の処理は第３の実施の形態と同様に実施することができ、ステアリングの操舵角とトルクとを算出できる。
【０１３４】
本実施形態による回転角・トルクセンサ１００によっても、第３の実施の形態と同様、磁石ローター１により生成される磁界を検出する磁気センサを２組（第１及び第３の磁気センサ１０，１２）用意するとともに、磁石ローター２により生成される磁界を検出する磁気センサを２組（第２及び第４の磁気センサ１１，１３）用意し、第１及び第３の磁気センサ１０，１２の出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、第２及び第４の磁気センサ１１，１３の出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいてステアリングの操舵角及びトルクを算出するようにしたので、ステアリングの操舵角やトルクに各シャフトの軸ぶれの影響が及ぶことを防止できる。
【０１３５】
図２１は、本発明の第５の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、周期数が奇数となる磁石ローター２の近傍に配置される第４の磁気センサ１３の配置、及び信号合成増幅回路２６，２７に代えて信号差動増幅回路２８，２９を有する点で、第３の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と相違する。以下、相違点を中心に、詳しく説明する。
【０１３６】
本実施の形態では、第４の磁気センサ１３を構成する磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂはそれぞれ、対応する磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂと１８０ｄｅｇ互いにずらした位置に配置される。したがって、磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂの出力信号の位相は、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂの出力と逆位相になる。
【０１３７】
磁気抵抗素子１１ａ，１３ａの出力信号は信号差動増幅回路２８に入力され、磁気抵抗素子１１ｂ，１３ｂの出力信号は信号差動増幅回路２９に入力される。信号差動増幅回路２８，２９はそれぞれ、入力された２つの出力信号に第２の演算を施し、さらに増幅処理も施して、演算回路３０に出力する。本実施の形態では、第２の演算は、２つの出力信号の差分を算出する差動演算である。
【０１３８】
仮に、第３の実施の形態と同様に第２の演算が加算演算であったとすると、入力される２つの出力信号が互いに逆位相であることから、これらは互いに打ち消しあい、演算結果としての信号差動増幅回路２８，２９の出力信号Ｓ２８，Ｓ２９の振幅は、ゼロか又は著しく小さな値となる。しかしながら、本実施の形態では第２の演算を差動演算としているので、出力信号Ｓ２８，Ｓ２９は有意な振幅を有する信号となる。こうして得られる出力信号Ｓ２８，Ｓ２９は演算回路３０に入力され、演算回路３０は、出力信号Ｓ２４，Ｓ２５，Ｓ２８，Ｓ２９に基づき、第３の実施の形態で説明したものと同様の処理により、ステアリングの操舵角及びトルクを算出する。
【０１３９】
本実施形態による回転角・トルクセンサ１００によれば、磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂをそれぞれ、対応する磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂと１８０ｄｅｇ互いにずらした位置に配置しているにもかかわらず、第３の実施の形態と同様、ステアリングの操舵角やトルクに各シャフトの軸ぶれの影響が及ぶことを防止できる。加えて、磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂの出力信号と磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂの出力信号の間の対称性が第３の実施の形態に比べて良好となることから、より好適に、軸ぶれの影響をキャンセルできるようになる。
【０１４０】
図２２は、本発明の第６の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、磁石ローター１，２に代えて多極ローター７，８を有する点と、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの近傍にそれぞれバイアス磁石４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが配置される点の２点で、第３の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と相違する。
【０１４１】
多極ローター７，８及び各バイアス磁石の構成及び材料は、第２の実施の形態で説明したものと同様であるので、詳しい説明は割愛する。
【０１４２】
磁気抵抗素子１２ａ，１２ｂはそれぞれ、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂと、回転軸Ａの中心軸を通るように多極ローター７を挟んで１８０ｄｅｇ対向に配置する。磁気抵抗素子１０ａと磁気抵抗素子１０ｂとは、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置されており、磁気抵抗素子１２ａと磁気抵抗素子１２ｂとは、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置されている。磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂはそれぞれ、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂと、回転軸Ａの中心軸を通るように多極ローター８を挟んで対向に配置するが、磁気抵抗素子１３ａは、磁気抵抗素子１１ａに対して、１８０＋３６０/（２Ｐ２）ｄｅｇ分をずらした位置に配置する。同様に、磁気抵抗素子１３ｂは、磁気抵抗素子１１ｂに対して、１８０＋３６０/（２Ｐ２）ｄｅｇ分をずらした位置に配置する。磁気抵抗素子１１ａと磁気抵抗素子１１ｂとは、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置されており、磁気抵抗素子１３ａと磁気抵抗素子１３ｂとは、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置されている。
【０１４３】
本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００によっても、第２の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と同様に、各磁気抵抗素子の出力信号を得ることができる。また、第３の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と同様に、軸ぶれの影響をキャンセルすることが実現される。
【０１４４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。
【０１４５】
例えば、上記実施の形態では、ステアリングの操舵角とトルクの両方を出力する回転角・トルクセンサに本発明を適用した例を取り上げて説明したが、本発明は、トルクのみを出力する回転角・トルクセンサにも適用可能である。
【０１４６】
最後に、磁気抵抗素子の特性に現れるヒステリシスが本発明による機械角算出の精度に与える影響について、詳しく説明する。
【０１４７】
磁気抵抗素子と、磁石（磁性体を含む）との組み合わせで回転角度を検出しようとする場合、ヒステリシスが回転角度の精度に及ぼす影響を考慮することが好ましい。通常、モーターなどの回転角度を検出する場合、回転角度が一方向であれば、ヒステリシスはあまり問題にならないが、逆回転をさせる場合には、ヒステリシスが回転角度の精度に与える影響は大きなものとなり、求める精度によっては無視できないものとなるからである。
【０１４８】
図２３（ａ）は、図２に示した回転角・トルクセンサ１００（ただし、磁石ローター１の周期数は５とした。）において、第１のシャフト４をＣＷ（時計回り）方向及びＣＣＷ（反時計回り）方向にそれぞれ回転させた場合の、磁気抵抗素子１０ａからの出力信号（実測値）を示す図である。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）の一部を拡大した図である。
【０１４９】
図２３より理解されるように、この例では、約２ｍＶのヒステリシスが生じている。これは、磁気抵抗素子自体，磁石自体，磁石の着磁ムラなど複数の影響から生じているものである。
【０１５０】
２ｍＶのヒステリシスを角度精度に換算すると、角度センサとしては、０．０２ｄｅｇの角度誤差に相当する。角度センサとして用いる場合には問題のない精度であるが、トルクセンサとして使用する場合には、無視出来ない誤差精度である。
【０１５１】
この誤差を補正する手段としては、ＣＷ及び、ＣＣＷ方向でそれぞれキャリブレーションを行い、テーブルを作成すればよい。そして、ＣＷ方向に回転している時には、ＣＷ方向用のテーブルを参照し、ＣＣＷ方向に回転している時には、ＣＣＷ方向用のテーブルを参照し、角度・トルク信号を出力すればよい。このようにＣＷ・ＣＣＷ用のテーブルを、キャリブレーション時にそれぞれ作成することにより、ヒステリシスの影響を抑えた角度精度の信号を得ることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
本発明による回転角・トルクセンサは、ステアリングシャフトの操舵角及び操舵トルクの検出等に利用できる。
【符号の説明】
【０１５３】
１，２ 磁石ローター
４，５ シャフト
６ トーションバー
７，８ 多極ローター
１０〜１３ 磁気センサ
１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ 磁気抵抗素子
２０〜２３ 増幅回路
２４〜２７ 信号合成増幅回路
２８，２９ 信号差動増幅回路
３０ 演算回路
３１，３２ 電気角算出部
３３ 電気角差信号生成部
３４，３５ 周期数判定信号生成部
３６，３７ 機械角算出部
３８ トルク算出部
３９ 記憶装置
４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ バイアス磁石
１００ 回転角・トルクセンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転角・トルクセンサに関し、特に回転角センサとトルクセンサを一体化した回転角・トルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車などの車両に関して、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）及び横滑り防止装置（ＥＳＣ）の両方を装備するケースが増加している。
【０００３】
ＥＰＳは、運転手の操舵を補助する装置である。ＥＰＳでは、ステアリングと車軸をつなぐステアリング軸に、バネの一種であるトーションバーが設けられる。運転手が舵輪を回転させるとステアリング軸を通じて車軸に回転が伝えられるが、トーションバーの作用により、ステアリングと車軸の回転力に一定の差（トルク）が生ずる。ＥＰＳは、このトルクを検出し、検出結果に応じた補助操舵力をステアリング軸に与えることにより、運転手の操舵を補助する。
【０００４】
ＥＳＣは、急ハンドル時や滑りやすい路面を走行中に発生しがちな車両の横滑りを感知し、車両の進行方向を保つように、個々の車輪にブレーキをかける装置である。ＥＳＣは、ステアリングの操舵量及び操舵方向（所定の基準ポジションからの回転角。以下、「ステアリングの操舵角」という。）を検出し、検出結果に応じて各車輪のブレーキ制御を行うことで、車両の横滑りを防止する。
【０００５】
ＥＰＳとＥＳＣの両方を搭載する車両には、トルクを検出するセンサ（トルクセンサ）と、ステアリングの操舵角を検出するセンサ（回転角センサ）という２つのセンサが必要となる。近年では、センサの占有スペースの縮小やセンサ自体の機能向上の観点からこれらのセンサの改良が進められており、そのうちのひとつとして、特許文献１，２に示されるような複合型のセンサ（以下、「回転角・トルクセンサ」という。）が検討されている。以下、特許文献１，２それぞれについて、トルクとステアリングの操舵角とを検出する方法を説明する。
【０００６】
特許文献１に開示される技術では、それぞれトーションバーの両端に設置される第１及び第３の回転体と、第１の回転体に設けられた歯車に嵌合する歯車を有し、第１の回転体より低速に回転する第２の回転体とが用いられる。第１の回転体の外周面には、例えば１５個のＮ極と１５個のＳ極とが、等間隔をなして交互に配置されている。第３の回転体の外周面にも同様に、第１の回転体と同数のＮ極及びＳ極が、等間隔をなして交互に配置されている。これにより、第１及び第３の回転体の外周面近傍には、回動方向に沿って周期的な磁界が形成される。この磁界の周期数（１回転分の周期の数）は、第１及び第３の回転体の外周面にそれぞれ形成されるＮ極（Ｓ極）の数に等しくなる。第２の回転体については、その中心部に磁石が配置されている。
【０００７】
第１〜第３の回転体それぞれの近傍には、第１〜第３の磁気センサが配置される。第１の回転体が回動すると、第１の磁気センサには磁界の変動が検出される。第１の磁気センサは、検出した磁界の変動に応じて変動する信号を生成し、出力する。こうして得られる信号を演算すると、第１の回転体の外周面近傍に形成される磁界の周期数と同一周期数の周期的な角度信号（以下、「電気角」という。）が得られる。第３及び第２の回転体についても、それぞれ第１の回転体と同様、第３及び第２の磁気センサの出力から電気角を得ることができる。第３の回転体の電気角は、第３の回転体の外周面近傍に形成される磁界の周期数と同一周期数の周期的な角度信号である。一方、第２の回転体の電気角は、特許文献１の記載によれば、第２の回転体の機械角（所定の基準ポジションからの物理的な回転角）７２０ｄｅｇの変化に対して１８０ｄｅｇの割合で変化する角度信号となる。
【０００８】
トルクは、第１の回転体の電気角と第３の回転体の電気角の差にトーションバーの弾性定数を乗ずることで算出される。一方、ステアリングの操舵角は、第２の回転体の電気角及び第１の回転体の電気角から求められる。
【０００９】
特許文献２に開示される技術では、トーションバーの一端にターゲット３ａ，３ｂが設けられ、他端にターゲット３ｃが設けられる。ターゲット３ａ，３ｃそれぞれの外周面には磁性体製の凸起が同数ずつ設けられ、ターゲット３ｂの外周面には、ターゲット３ａ，３ｃに設けられる凸起の個数と互いに素な個数の磁性体製の凸起が設けられる。トルクは、ターゲット３ａの電気角とターゲット３ｃの電気角との差に基づいて算出される。ステアリングの操舵角は、ターゲット３ａの電気角とターゲット３ｂの電気角とに基づいて求められる。
【００１０】
ところで、トーションバーの両端に設置された２つの回転体には、回転軸に対する位置ずれ（以下、「軸ぶれ」という。）が生ずる場合がある。このような軸ぶれが発生すると、各回転体の電気角と機械角の関係が崩れることから、上記特許文献１，２に開示される構成では、トルクやステアリングの操舵角を正しく算出することができなくなってしまう。
【００１１】
特許文献３には、電動モータ付き自転車のペダル踏力の検出装置（トルクセンサ）の例ではあるが、上記のような軸ぶれの影響をキャンセルできる技術が開示されている。この技術では、第１及び第２の磁性リング（回転体）それぞれについて、その外周付近の互いに１８０度異なる位置に２つの磁気センサを対向配置する。そして、これら２つの磁気センサの出力を用いて、軸ぶれの影響をキャンセルしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−２２０５２９号公報
【特許文献２】特開２００３−２７００６２号公報
【特許文献３】特開平１１−２５８０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献３に開示される検出装置はトルクセンサとしての機能のみを有する単機能センサである。第１の磁性リング（又は第２の磁性リング）の電気角を求めることはできるが、機械角を求めることができない。したがって、この検出装置を回転角センサとして用いることはできない。
【００１４】
したがって、本発明の目的の一つは、軸ぶれをキャンセルでき、かつトルクセンサと回転角センサ両方の機能を有する回転角・トルクセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するための本発明による回転角・トルクセンサは、回転軸の周りを回動可能に構成された第１のシャフトと、前記回転軸の周りを回動可能に構成された第２のシャフトと、前記回転軸に沿って配置され、前記第１のシャフトと前記第２のシャフトとを接続するトーションバーと、それぞれ前記回転軸に対して固定された第１乃至第４の磁気センサと、前記第１のシャフトの回転に応じて、前記第１及び第３の磁気センサの位置に第１周期数の周期的な第１の磁界を生成する第１の磁界生成手段と、前記第２のシャフトの回転に応じて、前記第２及び第４の磁気センサの位置に第２周期数の周期的な第２の磁界を生成する第２の磁界生成手段と、前記第１及び第３の磁界センサの出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第２及び第４の磁界センサの出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第１及び第２のシャフトそれぞれの機械角を算出するとともに、算出した前記第１及び第２のシャフトそれぞれの前記機械角に基づいて前記第１のシャフトにかかるトルクを算出する演算手段とを備え、前記第１周期数と前記第２周期数とは互いに異なることを特徴とする回転角・トルクセンサ。
【００１６】
本発明によれば、第１及び第２のシャフトそれぞれの機械角を算出する際には、第１及び第３の磁界センサの出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、第２及び第４の磁界センサの出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて算出を行うこととしたとともに、第１周期数と第２周期数とが互いに異なることとしたので、軸ぶれをキャンセルでき、かつトルクセンサと回転角センサ両方の機能を実現できる。
【００１７】
上記回転角・トルクセンサにおいて、前記第１周期数が偶数である場合、前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、前記第１周期数が奇数である場合、前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置からさらに前記第１の磁界の半周期分ずれた位置に配置され、前記第２周期数が偶数である場合、前記第４の磁界センサは、前記第２の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、前記第２周期数が奇数である場合、前記第４の磁界センサは、前記第３の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置からさらに前記第２の磁界の半周期分ずれた位置に配置され、前記第１及び第２の演算はともに加算演算であることとしてもよい。
【００１８】
また、上記回転角・トルクセンサにおいて、前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、前記第４の磁界センサは、前記第２の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、前記第１周期数が偶数である場合、前記第１の演算は加算演算であり、前記第１周期数が奇数である場合、前記第１の演算は差動演算であり、前記第２周期数が偶数である場合、前記第２の演算は加算演算であり、前記第２周期数が奇数である場合、前記第２の演算は差動演算であることとしてもよい。
【００１９】
また、上記各回転角・トルクセンサにおいて、前記演算手段は、前記第１及び第３の磁界センサの出力に前記第１の演算を施すことにより得られる前記演算出力に基づいて前記第１のシャフトの電気角を算出し、前記第２及び第４の磁界センサの出力に前記第２の演算を施すことにより得られる前記演算出力に基づいて前記第２のシャフトの電気角を算出し、前記第１のシャフトの電気角と前記第２のシャフトの電気角との差分を示す電気角差信号を生成し、前記電気角差信号と前記第１のシャフトの前記電気角と前記第１周期数とに基づいて前記第１のシャフトの機械角を算出し、前記電気角差信号と前記第２のシャフトの前記電気角と前記第２周期数とに基づいて前記第２のシャフトの機械角を算出することとしてもよい。
【００２０】
また、上記回転角・トルクセンサにおいて、前記第１の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第１及び第２の磁気抵抗素子を有し、前記第１及び第２の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、前記第２の磁界センサは、前記第２のシャフトの回動方向に沿って並置された第３及び第４の磁気抵抗素子を有し、前記第３及び第４の磁気抵抗素子は、前記第２の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、前記第３の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第５及び第６の磁気抵抗素子を有し、前記第５及び第６の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、前記第４の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第７及び第８の磁気抵抗素子を有し、前記第７及び第８の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、前記演算手段は、前記第１及び第３の磁気抵抗素子の出力に前記第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第５及び第６の磁気抵抗素子の出力に前記第１の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第１のシャフトの前記電気角を算出するとともに、前記第２及び第４の磁気抵抗素子の出力に前記第２の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第７及び第８の磁気抵抗素子の出力に前記第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第２のシャフトの前記電気角を算出することとしてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、軸ぶれをキャンセルでき、かつトルクセンサと回転角センサ両方の機能を有する回転角・トルクセンサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態による回転角・トルクセンサの断面構造を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図３】ＧＭＲ素子を通過する磁束密度と、ＧＭＲ素子の出力信号との関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態による演算回路内部の機能ブロックを示す図である。
【図５】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態による出力信号の具体的な例を示す図である。（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による電気角算出部の演算途中で得られる信号の波形を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態による電気角算出部の演算途中で得られる信号の波形を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の変形例による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図８】横軸をステアリングの機械角とし、縦軸を電気角として、本発明の第１の実施の形態による電気角及び電気角差信号をプロットした図である。
【図９】（ａ）（ｂ）は、メモリーに記録した演算値と操舵角の関係を利用して機械角を求める変形例の説明図である。
【図１０】（ａ）（ｂ）はそれぞれ、トルクが＋１ｄｅｇ，−１ｄｅｇである場合における、第１及び第２のシャフトの各電気角、電気角差信号、及び小数点を切り捨てた第１の周期数判定信号を表す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図１３】（ａ）（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態による信号合成増幅回路の出力信号を示す図である。（ｃ）は、横軸をステアリングの操舵角とし、縦軸を電気角として、電気角及び電気角差信号をプロットした図である。
【図１４】トルクが＋，０，−である場合における、第１及び第２のシャフトの電気角、及び電気角差信号を示す図である。
【図１５】磁石ローターの軸ぶれについて説明するための説明図である。
【図１６】（ａ）（ｂ）はそれぞれ、図１５の各状態での磁気抵抗素子からの出力信号を示す図である。
【図１７】（ａ）は、軸ぶれによる影響を受けた磁気抵抗素子からの出力信号の実測値を示す図である。（ｂ）は、信号合成増幅回路で合成された信号の実測値を示す図である。
【図１８】周期数が奇数である磁石ローターの平面図である。
【図１９】本発明の第４の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図２０】（ａ）は、本発明の第４の実施の形態による信号合成増幅回路の出力信号を示す図である。（ｂ）は、横軸をステアリングの操舵角とし、縦軸を電気角として、電気角及び電気角差信号をプロットした図である。
【図２１】本発明の第５の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図２２】本発明の第６の実施の形態による回転角・トルクセンサの概略構成を示す説明図である。
【図２３】（ａ）は、図２に示した回転角・トルクセンサ（ただし、磁石ローターの周期数は５とした。）において、第１のシャフトをＣＷ（時計回り）方向及びＣＣＷ（反時計回り）方向にそれぞれ回転させた場合の、磁気抵抗素子からの出力信号（実測値）を示す図である。（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の断面構造を示す図である。同図に示すように、回転角・トルクセンサ１００は、それぞれ回転軸Ａの周りを回動可能に構成された第１及び第２のシャフト４，５と、第１及び第２のシャフト４，５を接続するトーションバー６と、第１のシャフト４に対して固定された磁石ローター１（第１の磁界生成手段）と、第２のシャフト５に対して固定された磁石ローター２（第２の磁界生成手段）と、磁石ローター１から生ずる磁界（第１の磁界）を検出する第１の磁気センサ１０と、磁石ローター２から生ずる磁界（第２の磁界）を検出する第２の磁気センサ１１とを備えている。トーションバー６は、図示した領域４ａにおいて第１のシャフト４と固着し、領域５ａにおいて第２のシャフト５と固着している。また、第１及び第２の磁気センサ１０，１１は回転軸Ａに対して固定されており、第１及び第２のシャフト４，５の回動に伴ってこれらが動くことはない。
【００２５】
回転角・トルクセンサ１００は自動車のステアリングと車軸の間に設けられる。つまり、図示していないが、第１のシャフト４がステアリングに、第２のシャフト５が車軸に、それぞれ接続されている。運転手がステアリングを回転させると、第１のシャフト４がステアリングとともに回転する。この回転はトーションバー６を介して第２のシャフト５に伝達し、さらに第２のシャフト５から車軸に伝達する。
【００２６】
回転角・トルクセンサ１００は、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）が必要とするトルク（ステアリングと車軸の回転角の差）と、横滑り防止装置（ＥＳＣ）が必要とするステアリングの操舵角とを検出可能に構成されている。概略を説明すると、回転角・トルクセンサ１００は、まず、第１及び第２の磁気センサ１０，１１の出力に基づいて、第１及び第２のシャフト４，５それぞれの機械角（所定の基準ポジションからの物理的な回転角）を算出する。こうして求められる第１のシャフト４の機械角は、ステアリングの操舵角として出力される。回転角・トルクセンサ１００はさらに、算出した第１及び第２のシャフトそれぞれの機械角に基づいて、第１のシャフト４（又は第２のシャフト５）にかかるトルクを算出する。以下、トルクとステアリングの操舵角とを検出するための具体的な構成及び演算方法について、詳しく説明する。
【００２７】
図２は、本発明の第１の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。同図は、図１に示した回転角・トルクセンサ１００を簡略化して描いた模式図と、磁石ローター１，２の平面図と、回転角・トルクセンサ１００の機能ブロック図とを含んでいる。
【００２８】
磁石ローター１，２はそれぞれ、図２に示すように、外周面にＮ極とＳ極とが交互に現れるように着磁された、リング形状の多極磁石である。磁石ローター１は第１のシャフト４と一体となって回転し、磁石ローター２は第２のシャフト５と一体となって回転する。磁石ローター１，２に使用される磁石としては、例えば、フェライト系、アルニコ系、サマリウムコバルト系、ネオジム系、ボンドマグネットなどが好適である。
【００２９】
磁石ローター１は、回転軸に垂直な平面に回転軸を中心に円を描いた時の円周方向に、１０対の磁極ペアを有している。これら１０対の磁極ペアのサイズ（ピッチ）は互いに同一である。磁石ローター１がこのような構成を有することにより、第１のシャフト４の周囲には、その回動方向に沿って周期数１０（第１周期数）の周期的な磁界（第１の磁界）が生成される。言い換えると、磁石ローター１は、第１のシャフト４の回転に応じて、第１の磁気センサ１０の位置に第１周期数の周期的な第１の磁界を生成する。ここで、周期数とは、１回転分の周期の数である。磁石ローター１の磁極ペアが１０対である場合には、第１のシャフト４が１回転する間に、第１の磁気センサ１０では１０周期分の磁界変動が観測される。したがって、第１の磁界の周期数は１０となる。
【００３０】
磁石ローター２は、回転軸に垂直な平面に回転軸を中心に円を描いた時の円周方向に、９対の磁極ペアを有する。これら９対の磁極ペアのサイズ（ピッチ）も互いに同一である。磁石ローター２がこのような構成を有することにより、第２のシャフト５の周囲には、その回動方向に沿って周期数９（第２周期数）の周期的な磁界（第２の磁界）が生成される。言い換えると、磁石ローター２は、第２のシャフト５の回転に応じて、第２の磁気センサ１１の位置に第２周期数の周期的な第２の磁界を生成する。
【００３１】
なお、ここでは第１周期数と第２周期数がそれぞれ１０，９である場合を示しているが、第１周期数及び第２周期数の値はこれに何ら限定されるものではなく、少なくとも互いに異なっていればよい。より好ましくは、第１周期数と前記第２周期数とが互いに素であることが好ましい。また、第１周期数と前記第２周期数との差は１であることが好ましい。
【００３２】
第１の磁気センサ１０は、図２に示すように、２つの磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ（第１及び第２の磁気抵抗素子）から構成される。磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂは第１のシャフト４の回動方向に沿って、磁石ローター１と同一平面内に並置されており、その間隔は第１の磁界の１／４周期分となっている。言い換えると、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂは、第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置される。ここでは第１周期数が１０であるので、第１の磁界の１／４周期分は、回転角にして９ｄｅｇに相当する。
【００３３】
第２の磁気センサ１１も、同様に、２つの磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ（第３及び第４の磁気抵抗素子）から構成される。磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂは第２のシャフト５の回動方向に沿って並置されており、その間隔は第２の磁界の１／４周期分となっている。言い換えると、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂは、第２の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置される。ここでは第２周期数が９であるので、第２の磁界の１／４周期分は、回転角にして１０ｄｅｇに相当する。
【００３４】
なお、磁気抵抗素子１０ａ〜１１ｂは、互いに区別するために異なる符号を付してあるが、実質的には全て同一の構成を有している。このため、以下の説明において個々の磁気抵抗素子を区別する必要がない場合には、単に磁気抵抗素子と称する。後掲の磁気抵抗素子１２ａなどについても同様である。
【００３５】
磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂとして具体的には、ＧＭＲ素子、ＭＲ素子、ＡＭＲ素子、ＴＭＲ素子などを用いることが好適である。各磁気抵抗素子は、ハーフブリッジ構成としてもよく、或いはフルブリッジ構成としてもよい。
【００３６】
ＧＭＲ素子について特に説明すると、ＧＭＲ素子である磁気抵抗素子は、磁化方向が特定の方向に設定されていて、外部磁界の変位に対して磁化状態（例えば、磁化方向や磁化の強さ）が影響を受けないように構成されたピン磁性層と、外部磁界の変化によって磁化状態が変位するフリー磁性層とを備えている。磁石ローター１，２が回転すると、磁石ローター１，２から磁気抵抗素子に影響を与える磁束のベクトルが、回転に応じた周期的な変化を呈する。このベクトルの変化によって磁気抵抗素子内のフリー磁性層の磁化状態が変動し、磁化状態が変動しないピン磁性層の磁化状態と、磁化状態が変動するフリー磁性層との間に磁化状態の変位差が発生する。この磁化状態の変位差は、磁石ローター１，２の回転角度を反映する物理量であり、具体的には、磁気抵抗素子の抵抗値の変化として現れる。磁気抵抗素子にはバイアス電流が供給されており、磁気抵抗素子の抵抗値が変化すると、その両端の電圧が変化する。この電圧変化が、磁気抵抗素子の出力信号となる。
【００３７】
図３は、ＧＭＲ素子を通過する磁束密度と、ＧＭＲ素子の出力信号との関係を示す図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００を設計する際には、ＧＭＲ素子のヒステリシスの発生を少なくするため、ＧＭＲ素子のフリー磁性層の長手方向とピン固定磁性層の磁化方向（ピン方向）とが直交するように設計するとともに、磁石ローター１，２からの磁束密度、又は後述する多極ローター（図１０他）とＧＭＲ素子のギャップがＧＭＲ素子の出力に対応するように設計することが好ましい。なお、ＧＭＲ素子が飽和する領域までの磁束密度をＧＭＲ素子に与えることで、ＧＭＲ素子の抵抗値の変化を、磁束密度の変化には影響されない、磁石ローターからの磁束のベクトルの影響のみとすることが可能になる。
【００３８】
磁石ローター１が回転すると、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂにおいて、回転に伴う磁束ベクトルの変化に応じた、フリー磁性層の磁化状態の変動が発生する。このため、磁化状態が変動しないピン磁性層の磁化状態との間に磁化状態の変位差が発生し、これが、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂの抵抗値の変化として現れる。上述したように、各磁気抵抗素子にはバイアス電流が供給されており、その抵抗値の変化は、出力信号の変化として検出される。
【００３９】
磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂからの出力信号は、磁石ローター１の回転に伴う磁束ベクトルの変化に応じて変化し、その波形は概ね正弦波となる。つまり、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂからの出力信号は略正弦波信号である。磁石ローター１が１回転する間に、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂからは、第１周期数分の略正弦波信号が出力される。
【００４０】
磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂについても同様である。すなわち、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂからの出力信号は略正弦波信号となり、磁石ローター２が１回転する間に、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂからは、第２周期数分の略正弦波信号が出力される。
【００４１】
さて、回転角・トルクセンサ１００は、図２の機能ブロック図に示すように、４つの増幅回路２０〜２３と、演算回路３０（演算手段）とを備えている。増幅回路２０〜２３はそれぞれ磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂから出力される信号を所定の増幅率で増幅し、演算回路３０に出力する回路である。以下では、ステアリングシャフトの回転に伴って増幅回路２０〜２３から出力される信号を、それぞれ出力信号Ｓ２０，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３と称する。出力信号Ｓ２０，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３は、略正弦波状の振幅を有する信号となる。
【００４２】
磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂが上記のような配置を有することから、出力信号Ｓ２０と出力信号Ｓ２１とでは、位相が９０ｄｅｇ異なることになる。つまり、出力信号Ｓ２０が正弦波（ｓｉｎ）であるとすると、出力信号Ｓ２１は余弦波（ｃｏｓ）となる。同様に、出力信号Ｓ２２と出力信号Ｓ２３とでも、位相が９０ｄｅｇ異なることになる。つまり、出力信号Ｓ２２が正弦波（ｓｉｎ）であるとすると、出力信号Ｓ２３は余弦波（ｃｏｓ）となる。
【００４３】
演算回路３０は、出力信号Ｓ２０，Ｓ２１に基づいて第１のシャフト４の電気角φ１（対応する磁石ローターによって生成される磁界の周期数と同一周期数の周期的な角度信号）を検出するとともに、出力信号Ｓ２２，Ｓ２３に基づいて第２のシャフト５の電気角φ２を検出する。そして、これら電気角φ１，φ２に所定の演算を施すことにより、第１のシャフト４の機械角θ１と第２のシャフト５の機械角θ２とを求め、最終的には、ステアリングの操舵角とトルクとを算出する。以下、具体的な演算の方法について、図面を参照しながら詳しく説明する。
【００４４】
図４は、演算回路３０内部の機能ブロックを示す図である。同図に示すように、演算回路３０は、電気角算出部３１，３２、電気角差信号生成部３３、周期数判定信号生成部３４，３５、機械角算出部３６，３７、トルク算出部３８を有している。
【００４５】
電気角算出部３１は、出力信号Ｓ２０，Ｓ２１に基づいて第１のシャフト４の電気角φ１を算出する機能部である。以下、具体的な出力信号Ｓ２０，Ｓ２１の具体的な信号波形を参照しながら、電気角算出部３１の処理について詳しく説明する。
【００４６】
図５（ａ）は、出力信号Ｓ２０，Ｓ２１の具体的な例を示す図である。図５（ｂ）及び図６は、電気角算出部３１の演算途中で得られる信号の波形を示す図である。各図において、横軸の「操舵角」は、ステアリングの操舵角を表している。
【００４７】
運転手がステアリングを回転させると、つまり、第１のシャフト４が回転すると、図５（ａ）に示すように、ｓｉｎに近似した信号Ｓ２０が増幅回路２０から出力される。また、信号Ｓ２０と位相が９０ｄｅｇ異なる信号Ｓ２１（ｃｏｓに近似した信号）が増幅回路２１より出力される。
【００４８】
電気角算出部３１は、信号Ｓ２０（第１の出力信号）と信号Ｓ２１（第２の出力信号）とから、第１のシャフトの電気角φ１を求めて出力する。具体的には、次のようにして電気角φ１を算出する。すなわち、まず、信号Ｓ２０と信号Ｓ２１とを絶対値で比較し、信号Ｓ２１の絶対値の方が大きい場合には、第１の出力信号を第２の出力信号で除した結果Ｓ２０／Ｓ２１（ｔａｎに近似した信号）を、信号Ｓ２０の絶対値の方が大きい場合には、第２の出力信号を第１の出力信号で除した結果Ｓ２１／Ｓ２０（１／ｔａｎに近似した信号）を算出する。図５（ｂ）は、この算出の結果得られる演算値を示している。
【００４９】
得られた演算値は、図５（ｂ）から明らかなように、電気角φ１と一対一対応していない。したがって、この演算値から電気角φ１を直接求めることはできない。そこで、電気角算出部３１は、図５（ａ）に示す範囲Ｒ１〜Ｒ４ごとに異なる数値を上記演算値に加算することで、演算値と電気角φ１とが一対一に対応するようにしている。
【００５０】
具体的には、信号Ｓ２０と信号Ｓ２１が範囲Ｒ１にある場合、すなわち信号Ｓ２０の絶対値が信号Ｓ２１の絶対値より大きく、かつ信号Ｓ２０が０より大きい場合には、Ｓ２１／Ｓ２０に所定値３（第１の値）を加算してなるＳ２１／Ｓ２０＋３（第１の演算値）を演算結果とする。信号Ｓ２０と信号Ｓ２１が範囲Ｒ２にある場合、すなわち信号Ｓ２１の絶対値が信号Ｓ２０の絶対値より大きく、かつ信号Ｓ２１が０より小さい場合には、Ｓ２０／Ｓ２１に所定値５（第２の値）を加算してなるＳ２０／Ｓ２１＋５（第２の演算値）を演算結果とする。信号Ｓ２０と信号Ｓ２１が範囲Ｒ３にある場合、すなわち信号Ｓ２０の絶対値が信号Ｓ２１の絶対値より大きく、かつ信号Ｓ２０が０より小さい場合には、Ｓ２１／Ｓ２０に所定値７（第３の値）を加算してなるＳ２１／Ｓ２０＋７（第３の演算値）を演算結果とする。その他の場合、すなわち信号Ｓ２０と信号Ｓ２１が範囲Ｒ４にある場合には、Ｓ２０／Ｓ２１に所定値１（第４の値）を加算してなるＳ２０／Ｓ２１＋１（第４の演算値）を演算結果とする。
【００５１】
図６は、以上のようにして求められる演算値を示している。同図から明らかなように、この演算値は電気角と一対一対応している。したがって、演算値から電気角φ１を求めることが可能になる。電気角算出部３１は、こうして求めた電気角φ１を出力する。
【００５２】
電気角算出部３２は、信号Ｓ２２と信号Ｓ２３とから、第２のシャフトの電気角φ２を求めて出力する。電気角算出部３２の処理は、上述した電気角算出部３１の処理と同様であるから、詳しい説明は割愛する。
【００５３】
なお、図６に示す演算値を求める際、上記説明では、Ｓ２０／Ｓ２１又はＳ２１／Ｓ２０に最低でも１を足しているが、これは、演算値が負数にならないようにするためである。負数になっても構わない場合には、Ｓ２０／Ｓ２１又はＳ２１／Ｓ２０に加算する数値をより小さな値としてもよい。
【００５４】
また、ここでは出力信号から一旦ｔａｎ信号を算出することで電気角φ１，φ２を求めたが、もちろん、ｓｉｎ信号又はｃｏｓ信号から直接電気角φ１，φ２を求めてもよい。電気角φ１，φ２のうち一方をｔａｎ信号から算出し、他方をｓｉｎ信号又はｃｏｓ信号から直接算出することとしてもよい。第１のシャフト４の回転に応じて各増幅回路２０〜２３から出力される信号に対して電気角φ１，φ２が一意に決まるのであれば、どのような演算方法を用いてもよい。
【００５５】
また、理想的な正弦波が出力されている場合は、上述した演算で確実に電気角φ１，φ２を求めることが可能となるが、実際の出力信号は、必ずしも理想的な正弦波形とはならない。そこで、演算値と電気角の関係をあらかじめテーブル化してメモリに記録し、メモリと演算値を照合することで、電気角を求めることとしてもよい。
【００５６】
テーブル化を採用する変形例について、具体的に説明する。図７は、本変形例による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す図である。同図に示すように、本変形例による回転角・トルクセンサ１００は、記憶装置３９（記憶手段）を有する点で、図２に示した回転角・トルクセンサ１００と異なっている。以下、図２に示した回転角・トルクセンサ１００との相違点を中心に詳しく説明する。
【００５７】
記憶装置３９は、所定範囲の数値データと角度データとを一対一に対応付けたテーブルを記憶する。ここでいう所定範囲とは、図６に示した演算値（上述した第１〜第４の演算値）が取り得る値の最大値と最小値の間の範囲である。なお、記憶装置３９は、電気角算出部３１，３２のそれぞれについて、上記テーブルを記憶することとしてもよい。
【００５８】
上述したように、電気角算出部３１は、信号Ｓ２１，Ｓ２１の値に応じて第１〜第４の演算値のいずれかを算出している。電気角算出部３１は、こうして算出した各演算値に等しい数値データと対応付けて記憶される角度データを記憶装置３９から読み出し、電気角φ１の算出結果として出力する。
【００５９】
上述した例に即してより具体的に説明すると、電気角算出部３１は、信号Ｓ２０と信号Ｓ２１が範囲Ｒ１にある場合には、第１の演算値Ｓ２１／Ｓ２０＋３を算出する。そして、この第１の演算値Ｓ２１／Ｓ２０＋３に等しい数値データと対応付けて記憶される角度データを記憶装置３９から読み出し、電気角φ１の算出結果として出力する。詳しい説明は割愛するが、第２〜第４の演算値についても同様である。
【００６０】
電気角算出部３２も、電気角算出部３１と同様の処理を行う。つまり、信号Ｓ２２，Ｓ２３の値に応じて第１〜第４の演算値のいずれかを算出し、算出した各演算値に等しい数値データと対応付けて記憶される角度データを記憶装置３９から読み出し、電気角φ２の算出結果として出力する。
【００６１】
以上説明したように、演算値と電気角の関係をあらかじめテーブル化しておくことによっても、電気角φ１，φ２を求めることが可能になる。
【００６２】
さて、図８は、横軸をステアリングの機械角とし、縦軸を電気角として、電気角φ１，φ２をプロットした図である。同図に示されるように、電気角φ１，φ２はそれぞれ、周期数１０，９の周期信号となっている。これらの周期数は、磁石ローター１，２の外周面に設けられた磁極の数によって決まっている。
【００６３】
電気角差信号生成部３３は、第１のシャフト４の電気角φ１と第２のシャフト５の電気角φ２との差分を示す電気角差信号Ｄを生成して出力する。具体的には、φ１≧φ２である場合にはＤ＝φ１−φ２により電気角差信号Ｄを生成し、それ以外の場合にはＤ＝３６０ｄｅｇ＋φ１−φ２により電気角差信号Ｄを生成する。
【００６４】
図８には、トルクが０であると仮定した場合の電気角差信号Ｄも示している。同図に示すように、電気角差信号Ｄは、ステアリングの操舵角と一対一に対応している。このような一対一対応は、第１周期数と第２周期数を適切に選択することにより実現できる。仮にトルクが０であることが予め分かっているとするならば、電気角差信号Ｄから直接ステアリングの操舵角を求めることができる。
【００６５】
しかし、実際にはトルクが０でない場合を想定しなければならないので、ステアリングの操舵角を求めるために、周期数判定信号生成部３４，３５以降の機能部において、さらなる演算処理を行う。この演算処理では、トルクも算出される。以下、詳しく説明する。
【００６６】
周期数判定信号生成部３４は、電気角差信号Ｄと第１のシャフト４の電気角φ１と第１周期数Ｐ１（＝１０）とに基づいて、第１の磁界の周期を示す第１の周期数判定信号Ｊ１を生成する。具体的には、まず、次の式（１）で表される信号Ｊ'１を算出し、算出した信号Ｊ'１に所定の数値ｎを加算することにより、第１の周期数判定信号Ｊ１を生成する。式で表すと、次の式（２）のようになる。数値ｎ１を加算するのは、後の処理の便宜のためである。すなわち、数値ｎ１を適切に選択することで、第１の周期数判定信号Ｊ１の小数点未満を切り捨てるだけで、基準ポジションからの第１のシャフト４の回転周期数を示す値が得られるようになる。ただし、式（２）の計算では、第１の周期数判定信号［Ｊ１］は０からＰ１＋１までの値をとる。そのため、計算の結果［Ｊ１］＝０となる場合は［Ｊ１］＝Ｐ１と置き換え、［Ｊ１］＝Ｐ１＋１となる場合は［Ｊ１］＝１と置き換えることが好ましい。数値ｎ１の具体的な値としては、トルクがかからない状態でφ1＝φ2=０となる場合には、１．５とすることが好ましい。トルクが発生する状態では、１．５からずれる値とすることとしてもよい。
【００６７】
【数１】
【００６８】
数値ｎ１の具体的な値について、より詳しく説明する。例えば、トルクがかからない状態で電気角差信号Ｄが０となる場合の第１のシャフト４の電気角φ１と第２のシャフト５の電気角φ２の値をφＥとする、すなわち、φ１＝φ２＝φＥとすると、ｎ１＝（３６０−φＥ）／３６０＋０．５＋ｍとするとよい。ここで、ｍは任意の整数であり、計算機を用いた計算では０または１とすると都合がよい場合が多い。これ以外の方法でも、トルクが０の状態でＪ１の小数点未満が０．５に近くなるようにｎ１を設定するのが望ましい。また、同時にＪ１の整数部分が周期数または周期数から１を減じた値となるようにｎ１を設定するのが望ましい。それ以外の値でも周期数を求めることは可能であり、ｎ１はこの値に限るものではない。
【００６９】
機械角算出部３６は、第１の周期数判定信号Ｊ１と第１のシャフト４の電気角φ１と第１周期数Ｐ１（＝１０）とに基づいて、第１のシャフト４の機械角θ１を算出する。具体的には、次の式（３）により、機械角θ１を算出する。［ ］はガウス記号であり、［ ］内の数字の小数点を切り捨てる演算を意味している。こうして求められる第１のシャフト４の機械角θ１は、ステアリングの操舵角に他ならない。
【００７０】
【数２】
【００７１】
なお、実際には磁石ロータ１，２の精度には限界があるため、電気角周期ごとに機械角と入力信号の関係を予め記録して図示しないメモリーに格納し、上記［Ｊ１］の値から周期数を求め、周期数と入力信号より演算される値からメモリーを参照して、機械角θ１を求めてもよい。つまり、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂから得られる波形の電気角周期数に対する繰り返し精度が高ければ上記のような方法でも求めることができるが、繰り返し精度が悪い場合には、メモリーに記録した演算値と操舵角の関係を使用するとよい。具体的には、図６の演算値を、機械角１周に対して記録する。すると、図９（ａ）のような波形となる。その演算値に周期数×８を加えると、図９（ｂ）の波形となる。図９（ｂ）では、機械角１周分にわたって機械角と演算値とが１対１に対応しているので、演算値から機械角を精度よく求めることが可能となる。
【００７２】
図１０（ａ）（ｂ）はそれぞれ、トルクが＋１ｄｅｇ，−１ｄｅｇである場合における、第１及び第２のシャフト４，５の各電気角φ１，φ２、電気角差信号Ｄ、及び小数点を切り捨てた第１の周期数判定信号［Ｊ１］を表す図である。なお、同図に示す第１の周期数判定信号［Ｊ１］では、上述した置き換え（式（２）の計算の結果［Ｊ１］＝０となる場合は［Ｊ１］＝Ｐ１と置き換え、［Ｊ１］＝Ｐ１＋１となる場合は［Ｊ１］＝１と置き換える。）を行っている。
【００７３】
図１０（ａ）（ｂ）に示されるように、小数点を切り捨てた第１の周期数判定信号［Ｊ１］は、トルクの値によらず、第１のシャフト４の電気角φ１が３６０ｄｅｇから０ｄｅｇに変化するところで１段上がる階段状関数となっている。このことは、第１の周期数判定信号［Ｊ１］が、基準ポジションからの第１のシャフト４の回転周期数を表していことを示している。したがって、第１の周期数判定信号［Ｊ１］を用いることで、第１のシャフト４の機械角θ１を算出することが可能になっている。
【００７４】
例えば、第１の周期数判定信号［Ｊ１］を用いることで、トルクが＋１ｄｅｇの場合である図１０（ａ）と−１ｄｅｇの場合である（ｂ）でともに、φ１が操蛇角０〜３６度で、周期数が１であると判定が可能となる。図１０（ａ）のφ１が操蛇角８度近傍未満で第１の周期数判定信号［Ｊ１］が１１となっているが、第１の周期数判定信号［Ｊ１］が第１周期数Ｐ１（＝１０）を超えた場合は、第１周期数Ｐ１（＝１０）を減じることとすることにより、０度から３６度で第１の周期数判定信号［Ｊ１］は同じ値となる。よって、第１の周期数判定信号［Ｊ１］を用いることで、第１のシャフト４の機械角θ１を算出することが可能になっている。
【００７５】
周期数判定信号生成部３５の処理は、周期数判定信号生成部３４と同様である。すなわち、周期数判定信号生成部３５は、電気角差信号Ｄと第２のシャフト５の電気角φ２と第２周期数Ｐ２（＝９）とに基づき、次の式（４）及び式（５）により、第２の磁界の周期を示す第２の周期数判定信号Ｊ２を生成する。そして、第２の周期数判定信号Ｊ２と第２のシャフト５の電気角φ２と第２周期数Ｐ２（＝９）とに基づき、次の式（６）により、第２のシャフト５の機械角θ２を算出する。数値ｎ２は、上述した数値ｎ１と同様、トルクが０の状態でＪ２の小数点未満が０．５に近くなるように設定することが望ましい。
【００７６】
【数３】
【００７７】
トルク算出部３８は、以上のようにして算出された第１のシャフト４の機械角θ１と第２のシャフト５の機械角θ２とに基づいて、第１のシャフト４にかかるトルクを算出する。具体的には、機械角θ１と機械角θ２の差分θ１−θ２を算出し、トルクとして出力する。
【００７８】
以上説明したように、本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００によれば、回転する磁界を生成するための磁界生成手段を２つだけ用いる回転角・トルクセンサを提供することが実現される。それゆえ、車両の省スペース化にも貢献できる。
【００７９】
なお、以上の方法で求められるトルクには、検出可能範囲に制限がある。例えば、第１周期数Ｐ１＝１０、第２周期数Ｐ２＝９である場合を例にとると、トルクの検出可能範囲は−２ｄｅｇ〜＋２ｄｅｇとなる。これは、トルクがこの範囲を超えると周期数判定が正しくできなくなり、回転角・トルクが正しく検出できなくなることによるものである。
【００８０】
一般化すると、トルクの検出可能範囲Δθは、第１周期数Ｐ１及び第２周期数Ｐ２を用いて、次の式（７）のように表される。
【００８１】
【数４】
【００８２】
第１のシャフト４が電気角１周期分回転した場合、電気角差信号Ｄは、３６０×（１−Ｐ２／Ｐ１）ｄｅｇだけ変化する。第１のシャフト４が正方向に回転した場合と負方向に回転した場合を考慮する必要があるため、周期数を検出するためには、許容される電気角差信号Ｄの変化は、その半分の１８０×（１−Ｐ２／Ｐ１）ｄｅｇとなる。第２のシャフト５が第１のシャフト４に対して機械角Δθｄｅｇだけ回転した（トーションバー６がΔθｄｅｇねじれた）場合、第２のシャフト５の電気角φ２は（電気角差信号Ｄも同様）、Ｐ２×Δθｄｅｇだけ変化する。電気角差信号Ｄの変化が許容電気角差以内であれば周期数が正しく検出される。つまり、Ｐ２×Δθの絶対値が１８０×（１−Ｐ２／Ｐ１）の絶対値より小さければ、周期数が正しく検出される。したがって、式（７）のようにトルクの検出可能範囲Δθが求められる。
【００８３】
なお、回転角センサの分解能はＡ／Ｄコンバータで決まることが多いため、機械角１周期に対する電気角の周期数は多い方が好ましいが、周期数を多くすると、式（７）より検出可能なトルク範囲が狭くなってしまう。電源投入時にトルクがかからないならば、電源投入時に電気角差から絶対角を求め、それ以降は電気角の周期数をメモリに記録する方式とすることにより、機械角１周期に対する電気角周期数の条件を無くすことが可能となる。
【００８４】
電源投入時にトルクがかかることが懸念される場合で、一般的に車で使用されるトルクセンサのトルク検出範囲である±５ｄｅｇの範囲を検出可能なトルクセンサを作成したい場合には、Ｐ１＝６、Ｐ２＝５とすればよい。このようにすることで、｜Δθ｜＜６となり、±５ｄｅｇの範囲を検出可能となる。また、Ｐ１とＰ２の差が１なので、好適にステアリングの機械角とトルクを検出することができるようになる。
【００８５】
図１１は、本発明の第２の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、磁石ローター１，２に代えて多極ローター７，８を有する点と、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂの近傍にそれぞれバイアス磁石４０ａ，４０ｂが配置され、かつ磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂの近傍にそれぞれバイアス磁石４１ａ，４１ｂが配置される点の２点で、第１の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と相違する。以下、相違点を中心に詳しく説明する。
【００８６】
第１のシャフト４には、第１のシャフト４と同軸で一体となって回転するリング形状の多極ローター７が取り付けられている。多極ローター７は、回転軸Ａに垂直な平面に回転軸Ａを中心に円を描いた時の円周方向に、第１周期数Ｐ１と同数（図１１では５個）の凸部を有する。各凸部は一定間隔で配置され、かつ互いに同一な形状を有している。
【００８７】
第２のシャフト５には、第２のシャフト５と同軸で一体となって回転するリング形状の多極ローター８が取り付けられている。多極ローター８は、回転軸Ａに垂直な平面に回転軸Ａを中心に円を描いた時の円周方向に、第２周期数Ｐ２と同数（図１１では６個）の凸部を有する。各凸部は一定間隔で配置され、かつ互いに同一な形状を有している。
【００８８】
多極ローター７，８は、強磁性体によって構成される。具体的には、鉄・コバルト・ニッケルなどを好適に用いることができる。
【００８９】
磁気抵抗素子１０ａは、多極ローター７と同一平面上で多極ローター７と対向する位置に配置され、磁気抵抗素子１０ｂは、多極ローター７と同一平面上で多極ローター７と対向し、多極ローター７の回転中心を中心として、磁気抵抗素子１０ａとなす角が１８ｄｅｇとなるように配置される。
【００９０】
バイアス磁石４０ａは、磁気抵抗素子１０ａを回転軸方向に平行移動した位置で、できる限り磁気抵抗素子１０ａに近づけて配置される。同様に、バイアス磁石４０ｂは、磁気抵抗素子１０ｂを回転軸方向に平行移動した位置で、できる限り磁気抵抗素子１０ｂに近づけて配置される。
【００９１】
磁気抵抗素子１１ａは、多極ローター８と同一平面上で多極ローター８と対向する位置に配置され、磁気抵抗素子１１ｂは、多極ローター８と同一平面上で多極ローター８と対向し、多極ローター８の回転中心を中心として、磁気抵抗素子１１ａとなす角が１５ｄｅｇとなるように配置される。
【００９２】
バイアス磁石４１ａは、磁気抵抗素子１１ａを回転軸方向に平行移動させた位置で、できる限り磁気抵抗素子１１ａに近づけて配置される。同様に、磁石４１ｂは、磁気抵抗素子１１ｂを回転軸方向に平行移動させた位置で、できる限り磁気抵抗素子１１ｂに近づけて配置される。
【００９３】
バイアス磁石４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂとして使用可能な磁石としては、例えば、フェライト系、アルニコ系、サマリウムコバルト系、ネオジム系、ボンドマグネットなどが挙げられる。
【００９４】
本実施の形態では、第１のシャフト４の回転に伴い、多極ローター７と磁石４０ａ，４０ｂの距離が変化するため、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ上の磁力線の方向が変化する。つまり、多極ローター７と磁石４０ａ，４０ｂとは、協働して、第１のシャフト４の回転に応じて、第１の磁気センサ１０の位置に第１周期数Ｐ１の周期的な第１の磁界を生成する第１の磁界生成手段として機能する。つまり、多極ローター７と磁石４０ａ，４０ｂとは、協働して、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂが配置されている個所における、磁界の回転軸に対する垂直方向成分（ラジアル方向成分）を、第１のシャフト４の回転に伴って周期的に変化させる。磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂは、磁力線方向の変化を検出し、電気信号として出力する。
【００９５】
同様に、第２のシャフト５の回転に伴い、多極ローター８と磁石４１ａ，４１ｂの距離が変化するため、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ上の磁力線の方向が変化する。つまり、多極ローター８と磁石４１ａ，４１ｂとは、協働して、第２のシャフト５の回転に応じて、第２の磁気センサ１１の位置に第２周期数Ｐ２の周期的な第２の磁界を生成する第２の磁界生成手段として機能する。磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂは、磁力線方向の変化を検出し、電気信号として出力する。
【００９６】
多極ローター７は５組の凹凸を有しているため、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂは機械角に対して５倍の電気角を出力する（第１周期数Ｐ１＝５）。一方、多極ローター８は６組の凹凸を有しているため、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂは機械角に対して６倍の電気角を出力する（第２周期数Ｐ２＝６）。
【００９７】
以上の構成により、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂは、第１のシャフト４の回転に伴って互いに位相が９０ｄｅｇ異なった正弦波状の信号を出力し、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂは、第２のシャフト５の回転に伴って互いに位相が９０ｄｅｇ異なった正弦波状の信号を出力することになる。
【００９８】
なお、各磁気抵抗素子の配置は、上記のように位相が９０ｄｅｇ異なった正弦波状の信号を出力できるように決定されればよく、図１１に示した配置には何ら限定されない。
【００９９】
以上説明したように、本実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の出力信号を得ることができる。したがって、本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００によっても、回転する磁界を生成するための磁界生成手段を２つだけ用いる回転角・トルクセンサを提供することが実現される。
【０１００】
図１２は、本発明の第３の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、第１及び第２の磁気センサ１０，１１に加えて第３及び第４の磁気センサ１２，１３を備える点、及び増幅回路２０〜２３に代えて信号合成増幅回路２４〜２７を備える点で、第１の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と相違する。これらの相違により、本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、各シャフトの軸ぶれの影響をキャンセルできるという格別の効果を奏する。以下、詳しく説明する。
【０１０１】
第３及び第４の磁気センサ１２，１３は、第１の実施の形態における第１及び第２の磁気センサ１０，１１と同様、それぞれ２つずつの磁気抵抗素子から構成される。具体的には、第３の磁気センサ１２は磁気抵抗素子１２ａ，１２ｂ（第５及び第６の磁気抵抗素子）から構成され、第４の磁気センサ１３は磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂ（第７及び第８の磁気抵抗素子）から構成される。磁気抵抗素子１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは、第１の実施の形態で磁気抵抗素子１０ａ等について説明したものと同様の原理により、対応する磁石ローターの回転に応じて、略正弦波信号を出力する。
【０１０２】
以下では、第１周期数が偶数（例えば１０）であり、第２周期数が奇数（例えば９又は１１）であるとして説明する。
【０１０３】
磁気抵抗素子１０ａと磁気抵抗素子１２ａは、回転軸Ａを通るように磁石ローター１を挟んで１８０ｄｅｇ対向に配置される。同様に、磁気抵抗素子１０ｂと磁気抵抗素子１２ｂも、回転軸Ａを通るように磁石ローター１を挟んで１８０ｄｅｇ対向に配置される。以上の配置により、磁気抵抗素子１０ａ，１２ａの各出力信号は互いに同位相となり、磁気抵抗素子１０ｂ，１２ｂの各出力信号も互いに同位相となる。また、磁気抵抗素子１２ａ，１２ｂは、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂと同様、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置される。
【０１０４】
磁気抵抗素子１１ａと磁気抵抗素子１３ａは、回転軸Ａの中心軸を通るように磁石ローター２を挟んで対向に配置するが、磁気抵抗素子１３ａは、磁気抵抗素子１１ａに対して、１８０ｄｅｇ＋磁極１極分（１／２周期分）ずらした位置に配置される。同様に、磁気抵抗素子１１ｂと磁気抵抗素子１３ｂも、回転軸Ａの中心軸を通るように磁石ローター２を挟んで対向に配置するが、磁気抵抗素子１３ｂは、磁気抵抗素子１１ｂに対して、１８０ｄｅｇ＋磁極１極分（１／２周期分）ずらした位置に配置される。以上の配置により、磁気抵抗素子１１ａ，１３ａの各出力信号は互いに同位相となり、磁気抵抗素子１１ｂ，１３ｂの各出力信号も互いに同位相となる。磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂは、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂと同様、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置される。
【０１０５】
ここで、磁気抵抗素子１３ａを磁気抵抗素子１１ａに対して１８０ｄｅｇ＋磁極１極分（１／２周期分）ずらした位置に配置した理由について、簡単に説明する。もし仮に、１８０ｄｅｇずらした位置に磁気抵抗素子１３ａを配置したとすると、第２周期数が奇数であることから、磁気抵抗素子１１ａと磁気抵抗素子１３ａとは、常時互いに異なる極性の磁極面と対向することになる。したがって、磁気抵抗素子１１ａ，１３ａの各出力信号が互いに逆位相となり、後段の信号合成増幅回路２６で合成する際、互いに打ち消しあってしまう。そこで、磁気抵抗素子１１ａ，１３ａの各出力信号が互いに同位相となるよう、磁気抵抗素子１１ａから１８０ｄｅｇ＋磁極１極分（１／２周期分）ずらした位置に、磁気抵抗素子１３ａを配置している。磁気抵抗素子１１ｂ，１３ｂについても同様である。
【０１０６】
なお、磁石ローター１，２と各磁気抵抗素子とのスラスト方向（軸心方向）の位置関係は、磁石ローター１，２の回転による軸ぶれ等によるズレを含めて、各磁気抵抗素子を飽和領域で動作させるために、磁石ローター１，２が各磁気抵抗素子から外れない位置関係とするのが望ましい。例えば、磁石ローター１，２と、磁気抵抗素子のギャップを４．０ｍｍとし、取り付け誤差±０．５ｍｍ、軸ぶれ±０．３ｍｍとすると、磁石ローター１，２の回転面内の厚み（図１２に示した幅ｗ１）は２．０ｍｍ以上が、又、スラスト方向の厚み（図１２に示した幅ｗ２）は３．０ｍｍ以上が望ましい。
【０１０７】
磁気抵抗素子１０ａ及び１２ａからの出力信号は信号合成増幅回路２４に、磁気抵抗素子１０ｂ及び１２ｂからの出力信号は信号合成増幅回路２５に、磁気抵抗素子１１ａ及び１３ａからの出力信号は信号合成増幅回路２６に、磁気抵抗素子１１ｂ及び１３ｂからの出力信号は信号合成増幅回路２７に入力される。
【０１０８】
信号合成増幅回路２４，２５はそれぞれ、入力された２つの出力信号に第１の演算を施し、さらに増幅処理も施して、演算回路３０に出力する。本実施の形態では、第１の演算は、２つの出力信号を加算する演算である。信号合成増幅回路２４，２５は、こうして出力する信号の中点電位を電源電圧の中点にシフトさせるオフセット調整も行う。
【０１０９】
信号合成増幅回路２６，２７はそれぞれ、入力された２つの出力信号に第２の演算を施し、さらに増幅処理も施して、演算回路３０に出力する。本実施の形態では、第２の演算も、２つの出力信号を加算する演算である。信号合成増幅回路２６，２７も、こうして出力する信号の中点電位を電源電圧の中点にシフトさせるオフセット調整も行う。
【０１１０】
図１３（ａ）は、信号合成増幅回路２４，２５の出力信号Ｓ２４，Ｓ２５を示す図である。また、図１３（ｂ）は、信号合成増幅回路２６，２７の出力信号Ｓ２６，Ｓ２７を示す図である。これらは、ステアリングが１回転した場合（操舵角が０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇまで変化した場合）の出力信号を示したものである。
【０１１１】
図１３（ａ）と図１３（ｂ）とでは、図から明らかなように、出力信号の波長が異なっている。これは、磁石ローター１と磁石ローター２とで、磁極数（周期数）が異なるからである。ここでは、磁石ローター１の周期数を１０、磁石ローター２の周期数を９としている。
【０１１２】
出力信号Ｓ２４，Ｓ２６は、正弦波の形状を有するｓｉｎ信号であり、出力信号Ｓ２５，Ｓ２７は、正弦波の形状を有するｃｏｓ信号である。
【０１１３】
出力信号Ｓ２４〜Ｓ２７は、演算回路３０に入力される。演算回路３０は、これら出力信号Ｓ２４〜Ｓ２７を取り込んだ後、まずＡ／Ｄ変換を行い、デジタルデータに変換する。その後、出力信号Ｓ２４と出力信号Ｓ２５とでｔａｎ演算を行い、第１のシャフト４の電気角φ１を求める。同様に、出力信号Ｓ２６と出力信号Ｓ２７とでｔａｎ演算を行い、第２のシャフト５の電気角φ２を求める。具体的な演算方法は第１の実施の形態で説明したとおりであるので、詳しい説明は省略する。
【０１１４】
図１３（ｃ）は、横軸をステアリングの操舵角とし、縦軸を電気角として、電気角φ１，φ２及び電気角差信号Ｄをプロットした図である。演算回路３０は、電気角φ１，φ２を求めた後、これらの差を示す電気角差信号Ｄを生成する。電気角差信号Ｄは、図１３（ｃ）に示すように、ステアリングの操舵角と一対一に対応する。演算回路３０は、さらに機械角θ１，θ２の算出を経て、ステアリングの操舵角とトルクを求める。この具体的な演算方法も第１の実施の形態で説明したとおりであるので、詳しい説明は省略する。
【０１１５】
図１４は、トルクが＋，０，−である場合における、第１及び第２のシャフト４，５の電気角φ１，φ２を示す図である。この図に示すようなトルクが発生した場合にも、第１の実施の形態で説明した演算方法を用いることにより、好適にステアリングの操舵角とトルクを求めることが可能となる。
【０１１６】
ここから、磁石ローター１，２のいずれか少なくとも一方に、回転軸に対する位置ずれ（軸ぶれ）が生じた場合の、各磁気抵抗素子の出力信号への影響、並びに影響をキャンセルするための具体的な構成及び演算方法について、詳しく説明する。
【０１１７】
図１５は、磁石ローター１の軸ぶれについて説明するための説明図である。ここでは、簡単のため、磁気抵抗素子については、磁気抵抗素子１０ａ，１２ａのみを示している。
【０１１８】
図１５（ａ）は軸ぶれなしの状態であり、磁石ローター１が回転しても、磁石ローター１と磁気抵抗素子１０ａ，１２ａとの位置関係が一定である。この状態で磁石ローター１が回転すれば問題ないが、実際には、図１５（ｂ）〜（ｅ）に示すように、磁石ローター１が軸ぶれを起こす場合がある。軸ぶれが起きると、磁石ローター１と磁気抵抗素子１０ａのＸ方向・Ｙ方向の位置関係が変化することとなる。
【０１１９】
図１５（ｂ）は、磁石ローター１がＸ−方向及びＹ＋方向に軸ぶれを起こし、磁気抵抗素子１０ａに近づいている状態を、図１５（ｃ）は、磁石ローター１がＸ＋方向及びＹ＋方向に軸ずれを起こし、磁気抵抗素子１２ａに近づいている状態を、図１５（ｄ）は、磁石ローター１がＸ＋方向及びＹ−方向に軸ずれを起こし、磁気抵抗素子１２ａに近づいている状態を、図１５（ｅ）は、磁石ローター１がＸ−方向及びＹ−方向に軸ずれを起こし、磁気抵抗素子１０ａに近づいている状態をそれぞれ示している。
【０１２０】
仮に、磁石ローター１がＣＷ（時計回り）方向に回転するとすると、磁気抵抗素子１０ａの出力信号の位相に関し、図１５（ｂ），図１５（ｃ）の状態では位相が遅れる方向にずれ、図１５（ｄ），図１５（ｅ）の状態では位相が進む方向にずれることとなる。
【０１２１】
図１６（ａ）は、図１５の各状態での磁気抵抗素子１０ａからの出力信号を示す図である。同図の各グラフについて示す（ ）内の英字は、図１５の枝番に対応している。図１６（ａ）からも、図１５（ｂ），図１５（ｃ）の状態では位相が遅れる方向にずれ、図１５（ｄ），図１５（ｅ）の状態では位相が進む方向にずれることが理解される。
【０１２２】
このような位相のずれか生ずるのは、軸ぶれにより、磁気抵抗素子１０ａのピン磁性層の方向にある磁石ローター１から発生する磁束ベクトル（磁束密度）が、変わるためである。
【０１２３】
軸ぶれ量が常に一定であれば、処理回路で電気的に軸ブレの影響をキャンセルすることも可能であるが、軸ぶれ量が、回転速度・回転方向・周囲環境などによりランダムに変化する場合には、そのような方法でのキャンセルは難しい。そこで、本実施の形態では、磁気抵抗素子１２ａの出力信号を利用して、軸ブレの影響をキャンセルする。以下、詳しく説明する。
【０１２４】
図１６（ｂ）は、図１５の各状態での磁気抵抗素子１２ａからの出力信号を示す図である。同図の各グラフについて示す（ ）内の英字は、図１５の枝番に対応している。図１６（ｂ）と図１６（ａ）を比較すると理解されるように、磁気抵抗素子１０ａからの出力信号が遅れ位相だと、磁気抵抗素子１２ａからは進み位相の出力信号が得られ、磁気抵抗素子１０ａからの出力信号が進み位相だと、磁気抵抗素子１２ａからは遅れ位相の出力信号が得られる。したがって、磁気抵抗素子１０ａの出力信号と磁気抵抗素子１２ａの出力信号とを合成（加算）することにより、軸ぶれが生じたとしても、その影響を打ち消して、軸ぶれによる位相ずれのない信号をつくりだすことができることになる。
【０１２５】
本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００では、このような信号合成を信号合成増幅回路２４〜２７において行っている。したがって、各シャフトの軸ぶれの影響をキャンセルすることが実現されている。
【０１２６】
図１７（ａ）は、軸ぶれによる影響を受けた磁気抵抗素子１０ａからの出力信号の実測値を示す図である。同図には、図１５（ａ）（ｃ）（ｅ）の各状態での出力信号を示している。なお、実測にあたり、磁石ローター１のぶれの大きさは、Ｘ方向，Ｙ方向それぞれについて１００μｍとした。図１７（ａ）によれば、位相ずれによる出力信号レベルの変動は約±２０ｍＶあり、換算すると、約±６ｄｅｇという非常に大きい角度誤差となる。
【０１２７】
図１７（ｂ）は、信号合成増幅回路で合成された信号Ｓ２４の実測値を示す図である。測定条件は図１７（ａ）と同一である。図１７（ｂ）から明らかなように、合成された信号Ｓ２４では、軸ぶれの影響がキャンセルされ、位相のずれがほとんど発生しなくなっている。すなわち、各シャフトの軸ぶれの影響をキャンセルすることが実現されている。
【０１２８】
ここで、磁石ローターの周期数が奇数となる場合の磁気抵抗素子の配置について、再度説明する。図１８は、周期数が奇数（具体的には９）である磁石ローター２の平面図である。同図に示すように、周期数が奇数である磁石ローター２を用いる場合に軸ぶれの影響をキャンセルするためには、２つの磁気抵抗素子を、１８０ｄｅｇではなく、１８０ｄｅｇ＋Ｓ極（又は、Ｎ極）１極分、互いにずらした位置に配置し、これらからの出力信号を合成する。こうすることで、磁石ローターの周期数が奇数であっても、磁気抵抗素子の出力信号が互いに打ち消しあってしまうことがなくなり、軸ぶれによる角度誤差の発生を抑えることが可能になる。
【０１２９】
以上説明したように、本実施形態による回転角・トルクセンサ１００によれば、磁石ローター１により生成される磁界を検出する磁気センサを２組（第１及び第３の磁気センサ１０，１２）用意するとともに、磁石ローター２により生成される磁界を検出する磁気センサを２組（第２及び第４の磁気センサ１１，１３）用意し、第１及び第３の磁気センサ１０，１２の出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、第２及び第４の磁気センサ１１，１３の出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいてステアリングの操舵角及びトルクを算出するようにしたので、ステアリングの操舵角やトルクに各シャフトの軸ぶれの影響が及ぶことを防止できる。
【０１３０】
図１９は、本発明の第４の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、磁気抵抗素子１０ｂ，１１ｂ，１２ｂ，１３ｂを有しない点、及びこれらに対応する信号合成増幅回路２５，２７を有しない点で、第３の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と相違する。以下、相違点を中心に、詳しく説明する。
【０１３１】
図２０（ａ）は、信号合成増幅回路２４，２６の出力信号Ｓ２４，Ｓ２６を示す図である。これは、ステアリングの回転に伴い、磁石ローター１及び２が１回転した場合の出力信号Ｓ２４，Ｓ２６のグラフを示したものである。出力信号Ｓ２４，Ｓ２６の波長が異なっているのは、第３の実施の形態で説明したように、磁石ローター１と磁石ローター２とで、磁極数が異なるからである。ここでは、磁石ローター１は２０極（Ｎ＋Ｓ）とし、磁石ローター２は１８極（Ｎ＋Ｓ）としている。
【０１３２】
出力信号Ｓ２４，Ｓ２６は、演算回路３０に入力される。演算回路３０は、これら出力信号Ｓ２４，Ｓ２６を取り込んだ後、まずＡ／Ｄ変換を行い、デジタルデータに変換する。その後、第１のシャフト４の電気角φ１と第２のシャフト５の電気角φ２とを算出するのであるが、ここではｔａｎ演算は使えないので、正弦波から直接各電気角を算出する。
【０１３３】
図２０（ｂ）は、横軸をステアリングの操舵角とし、縦軸を電気角として、電気角φ１，φ２及び電気角差信号Ｄをプロットした図である。この図は、前掲の図１３（ｃ）と同様であるので、以降の処理は第３の実施の形態と同様に実施することができ、ステアリングの操舵角とトルクとを算出できる。
【０１３４】
本実施形態による回転角・トルクセンサ１００によっても、第３の実施の形態と同様、磁石ローター１により生成される磁界を検出する磁気センサを２組（第１及び第３の磁気センサ１０，１２）用意するとともに、磁石ローター２により生成される磁界を検出する磁気センサを２組（第２及び第４の磁気センサ１１，１３）用意し、第１及び第３の磁気センサ１０，１２の出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、第２及び第４の磁気センサ１１，１３の出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいてステアリングの操舵角及びトルクを算出するようにしたので、ステアリングの操舵角やトルクに各シャフトの軸ぶれの影響が及ぶことを防止できる。
【０１３５】
図２１は、本発明の第５の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、周期数が奇数となる磁石ローター２の近傍に配置される第４の磁気センサ１３の配置、及び信号合成増幅回路２６，２７に代えて信号差動増幅回路２８，２９を有する点で、第３の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と相違する。以下、相違点を中心に、詳しく説明する。
【０１３６】
本実施の形態では、第４の磁気センサ１３を構成する磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂはそれぞれ、対応する磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂと１８０ｄｅｇ互いにずらした位置に配置される。したがって、磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂの出力信号の位相は、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂの出力と逆位相になる。
【０１３７】
磁気抵抗素子１１ａ，１３ａの出力信号は信号差動増幅回路２８に入力され、磁気抵抗素子１１ｂ，１３ｂの出力信号は信号差動増幅回路２９に入力される。信号差動増幅回路２８，２９はそれぞれ、入力された２つの出力信号に第２の演算を施し、さらに増幅処理も施して、演算回路３０に出力する。本実施の形態では、第２の演算は、２つの出力信号の差分を算出する差動演算である。
【０１３８】
仮に、第３の実施の形態と同様に第２の演算が加算演算であったとすると、入力される２つの出力信号が互いに逆位相であることから、これらは互いに打ち消しあい、演算結果としての信号差動増幅回路２８，２９の出力信号Ｓ２８，Ｓ２９の振幅は、ゼロか又は著しく小さな値となる。しかしながら、本実施の形態では第２の演算を差動演算としているので、出力信号Ｓ２８，Ｓ２９は有意な振幅を有する信号となる。こうして得られる出力信号Ｓ２８，Ｓ２９は演算回路３０に入力され、演算回路３０は、出力信号Ｓ２４，Ｓ２５，Ｓ２８，Ｓ２９に基づき、第３の実施の形態で説明したものと同様の処理により、ステアリングの操舵角及びトルクを算出する。
【０１３９】
本実施形態による回転角・トルクセンサ１００によれば、磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂをそれぞれ、対応する磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂと１８０ｄｅｇ互いにずらした位置に配置しているにもかかわらず、第３の実施の形態と同様、ステアリングの操舵角やトルクに各シャフトの軸ぶれの影響が及ぶことを防止できる。加えて、磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂの出力信号と磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂの出力信号の間の対称性が第３の実施の形態に比べて良好となることから、より好適に、軸ぶれの影響をキャンセルできるようになる。
【０１４０】
図２２は、本発明の第６の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００の概略構成を示す説明図である。本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００は、磁石ローター１，２に代えて多極ローター７，８を有する点と、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの近傍にそれぞれバイアス磁石４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが配置される点の２点で、第３の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と相違する。
【０１４１】
多極ローター７，８及び各バイアス磁石の構成及び材料は、第２の実施の形態で説明したものと同様であるので、詳しい説明は割愛する。
【０１４２】
磁気抵抗素子１２ａ，１２ｂはそれぞれ、磁気抵抗素子１０ａ，１０ｂと、回転軸Ａの中心軸を通るように多極ローター７を挟んで１８０ｄｅｇ対向に配置する。磁気抵抗素子１０ａと磁気抵抗素子１０ｂとは、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置されており、磁気抵抗素子１２ａと磁気抵抗素子１２ｂとは、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置されている。磁気抵抗素子１３ａ，１３ｂはそれぞれ、磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂと、回転軸Ａの中心軸を通るように多極ローター８を挟んで対向に配置するが、磁気抵抗素子１３ａは、磁気抵抗素子１１ａに対して、１８０＋３６０/（２Ｐ２）ｄｅｇ分をずらした位置に配置する。同様に、磁気抵抗素子１３ｂは、磁気抵抗素子１１ｂに対して、１８０＋３６０/（２Ｐ２）ｄｅｇ分をずらした位置に配置する。磁気抵抗素子１１ａと磁気抵抗素子１１ｂとは、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置されており、磁気抵抗素子１３ａと磁気抵抗素子１３ｂとは、電気角で９０ｄｅｇの位相差を持って配置されている。
【０１４３】
本実施の形態による回転角・トルクセンサ１００によっても、第２の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と同様に、各磁気抵抗素子の出力信号を得ることができる。また、第３の実施の形態による回転角・トルクセンサ１００と同様に、軸ぶれの影響をキャンセルすることが実現される。
【０１４４】
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。
【０１４５】
例えば、上記実施の形態では、ステアリングの操舵角とトルクの両方を出力する回転角・トルクセンサに本発明を適用した例を取り上げて説明したが、本発明は、トルクのみを出力する回転角・トルクセンサにも適用可能である。
【０１４６】
最後に、磁気抵抗素子の特性に現れるヒステリシスが本発明による機械角算出の精度に与える影響について、詳しく説明する。
【０１４７】
磁気抵抗素子と、磁石（磁性体を含む）との組み合わせで回転角度を検出しようとする場合、ヒステリシスが回転角度の精度に及ぼす影響を考慮することが好ましい。通常、モーターなどの回転角度を検出する場合、回転角度が一方向であれば、ヒステリシスはあまり問題にならないが、逆回転をさせる場合には、ヒステリシスが回転角度の精度に与える影響は大きなものとなり、求める精度によっては無視できないものとなるからである。
【０１４８】
図２３（ａ）は、図２に示した回転角・トルクセンサ１００（ただし、磁石ローター１の周期数は５とした。）において、第１のシャフト４をＣＷ（時計回り）方向及びＣＣＷ（反時計回り）方向にそれぞれ回転させた場合の、磁気抵抗素子１０ａからの出力信号（実測値）を示す図である。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）の一部を拡大した図である。
【０１４９】
図２３より理解されるように、この例では、約２ｍＶのヒステリシスが生じている。これは、磁気抵抗素子自体，磁石自体，磁石の着磁ムラなど複数の影響から生じているものである。
【０１５０】
２ｍＶのヒステリシスを角度精度に換算すると、角度センサとしては、０．０２ｄｅｇの角度誤差に相当する。角度センサとして用いる場合には問題のない精度であるが、トルクセンサとして使用する場合には、無視出来ない誤差精度である。
【０１５１】
この誤差を補正する手段としては、ＣＷ及び、ＣＣＷ方向でそれぞれキャリブレーションを行い、テーブルを作成すればよい。そして、ＣＷ方向に回転している時には、ＣＷ方向用のテーブルを参照し、ＣＣＷ方向に回転している時には、ＣＣＷ方向用のテーブルを参照し、角度・トルク信号を出力すればよい。このようにＣＷ・ＣＣＷ用のテーブルを、キャリブレーション時にそれぞれ作成することにより、ヒステリシスの影響を抑えた角度精度の信号を得ることが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
本発明による回転角・トルクセンサは、ステアリングシャフトの操舵角及び操舵トルクの検出等に利用できる。
【符号の説明】
【０１５３】
１，２ 磁石ローター
４，５ シャフト
６ トーションバー
７，８ 多極ローター
１０〜１３ 磁気センサ
１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ 磁気抵抗素子
２０〜２３ 増幅回路
２４〜２７ 信号合成増幅回路
２８，２９ 信号差動増幅回路
３０ 演算回路
３１，３２ 電気角算出部
３３ 電気角差信号生成部
３４，３５ 周期数判定信号生成部
３６，３７ 機械角算出部
３８ トルク算出部
３９ 記憶装置
４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ バイアス磁石
１００ 回転角・トルクセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周りを回動可能に構成された第１のシャフトと、
前記回転軸の周りを回動可能に構成された第２のシャフトと、
前記回転軸に沿って配置され、前記第１のシャフトと前記第２のシャフトとを接続するトーションバーと、
それぞれ前記回転軸に対して固定された第１乃至第４の磁気センサと、
前記第１のシャフトの回転に応じて、前記第１及び第３の磁気センサの位置に第１周期数の周期的な第１の磁界を生成する第１の磁界生成手段と、
前記第２のシャフトの回転に応じて、前記第２及び第４の磁気センサの位置に第２周期数の周期的な第２の磁界を生成する第２の磁界生成手段と、
前記第１及び第３の磁界センサの出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第２及び第４の磁界センサの出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第１及び第２のシャフトそれぞれの機械角を算出するとともに、算出した前記第１及び第２のシャフトそれぞれの前記機械角に基づいて前記第１のシャフトにかかるトルクを算出する演算手段とを備え、
前記第１周期数と前記第２周期数とは互いに異なる
ことを特徴とする回転角・トルクセンサ。
【請求項２】
前記第１周期数が偶数である場合、前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、
前記第１周期数が奇数である場合、前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置からさらに前記第１の磁界の半周期分ずれた位置に配置され、
前記第２周期数が偶数である場合、前記第４の磁界センサは、前記第２の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、
前記第２周期数が奇数である場合、前記第４の磁界センサは、前記第３の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置からさらに前記第２の磁界の半周期分ずれた位置に配置され、
前記第１及び第２の演算はともに加算演算である
ことを特徴とする請求項１に記載の回転角・トルクセンサ。
【請求項３】
前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、
前記第４の磁界センサは、前記第２の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、
前記第１周期数が偶数である場合、前記第１の演算は加算演算であり、
前記第１周期数が奇数である場合、前記第１の演算は差動演算であり、
前記第２周期数が偶数である場合、前記第２の演算は加算演算であり、
前記第２周期数が奇数である場合、前記第２の演算は差動演算である
ことを特徴とする請求項２に記載の回転角・トルクセンサ。
【請求項４】
前記演算手段は、
前記第１及び第３の磁界センサの出力に前記第１の演算を施すことにより得られる前記演算出力に基づいて前記第１のシャフトの電気角を算出し、
前記第２及び第４の磁界センサの出力に前記第２の演算を施すことにより得られる前記演算出力に基づいて前記第２のシャフトの電気角を算出し、
前記第１のシャフトの電気角と前記第２のシャフトの電気角との差分を示す電気角差信号を生成し、
前記電気角差信号と前記第１のシャフトの前記電気角と前記第１周期数とに基づいて前記第１のシャフトの機械角を算出し、
前記電気角差信号と前記第２のシャフトの前記電気角と前記第２周期数とに基づいて前記第２のシャフトの機械角を算出する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転角・トルクセンサ。
【請求項５】
前記第１の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第１及び第２の磁気抵抗素子を有し、
前記第１及び第２の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、
前記第２の磁界センサは、前記第２のシャフトの回動方向に沿って並置された第３及び第４の磁気抵抗素子を有し、
前記第３及び第４の磁気抵抗素子は、前記第２の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、
前記第３の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第５及び第６の磁気抵抗素子を有し、
前記第５及び第６の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、
前記第４の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第７及び第８の磁気抵抗素子を有し、
前記第７及び第８の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、
前記演算手段は、前記第１及び第３の磁気抵抗素子の出力に前記第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第５及び第６の磁気抵抗素子の出力に前記第１の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第１のシャフトの前記電気角を算出するとともに、前記第２及び第４の磁気抵抗素子の出力に前記第２の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第７及び第８の磁気抵抗素子の出力に前記第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第２のシャフトの前記電気角を算出する
ことを特徴とする請求項４に記載の回転角・トルクセンサ。
【請求項１】
回転軸の周りを回動可能に構成された第１のシャフトと、
前記回転軸の周りを回動可能に構成された第２のシャフトと、
前記回転軸に沿って配置され、前記第１のシャフトと前記第２のシャフトとを接続するトーションバーと、
それぞれ前記回転軸に対して固定された第１乃至第４の磁気センサと、
前記第１のシャフトの回転に応じて、前記第１及び第３の磁気センサの位置に第１周期数の周期的な第１の磁界を生成する第１の磁界生成手段と、
前記第２のシャフトの回転に応じて、前記第２及び第４の磁気センサの位置に第２周期数の周期的な第２の磁界を生成する第２の磁界生成手段と、
前記第１及び第３の磁界センサの出力に第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第２及び第４の磁界センサの出力に第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第１及び第２のシャフトそれぞれの機械角を算出するとともに、算出した前記第１及び第２のシャフトそれぞれの前記機械角に基づいて前記第１のシャフトにかかるトルクを算出する演算手段とを備え、
前記第１周期数と前記第２周期数とは互いに異なる
ことを特徴とする回転角・トルクセンサ。
【請求項２】
前記第１周期数が偶数である場合、前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、
前記第１周期数が奇数である場合、前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置からさらに前記第１の磁界の半周期分ずれた位置に配置され、
前記第２周期数が偶数である場合、前記第４の磁界センサは、前記第２の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、
前記第２周期数が奇数である場合、前記第４の磁界センサは、前記第３の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置からさらに前記第２の磁界の半周期分ずれた位置に配置され、
前記第１及び第２の演算はともに加算演算である
ことを特徴とする請求項１に記載の回転角・トルクセンサ。
【請求項３】
前記第３の磁界センサは、前記第１の磁界センサから前記第１のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、
前記第４の磁界センサは、前記第２の磁界センサから前記第２のシャフトの回動方向に沿って１８０°異なる位置に配置され、
前記第１周期数が偶数である場合、前記第１の演算は加算演算であり、
前記第１周期数が奇数である場合、前記第１の演算は差動演算であり、
前記第２周期数が偶数である場合、前記第２の演算は加算演算であり、
前記第２周期数が奇数である場合、前記第２の演算は差動演算である
ことを特徴とする請求項２に記載の回転角・トルクセンサ。
【請求項４】
前記演算手段は、
前記第１及び第３の磁界センサの出力に前記第１の演算を施すことにより得られる前記演算出力に基づいて前記第１のシャフトの電気角を算出し、
前記第２及び第４の磁界センサの出力に前記第２の演算を施すことにより得られる前記演算出力に基づいて前記第２のシャフトの電気角を算出し、
前記第１のシャフトの電気角と前記第２のシャフトの電気角との差分を示す電気角差信号を生成し、
前記電気角差信号と前記第１のシャフトの前記電気角と前記第１周期数とに基づいて前記第１のシャフトの機械角を算出し、
前記電気角差信号と前記第２のシャフトの前記電気角と前記第２周期数とに基づいて前記第２のシャフトの機械角を算出する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転角・トルクセンサ。
【請求項５】
前記第１の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第１及び第２の磁気抵抗素子を有し、
前記第１及び第２の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、
前記第２の磁界センサは、前記第２のシャフトの回動方向に沿って並置された第３及び第４の磁気抵抗素子を有し、
前記第３及び第４の磁気抵抗素子は、前記第２の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、
前記第３の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第５及び第６の磁気抵抗素子を有し、
前記第５及び第６の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、
前記第４の磁界センサは、前記第１のシャフトの回動方向に沿って並置された第７及び第８の磁気抵抗素子を有し、
前記第７及び第８の磁気抵抗素子は、前記第１の磁界の１／４周期分互いに離隔した位置に設置され、
前記演算手段は、前記第１及び第３の磁気抵抗素子の出力に前記第１の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第５及び第６の磁気抵抗素子の出力に前記第１の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第１のシャフトの前記電気角を算出するとともに、前記第２及び第４の磁気抵抗素子の出力に前記第２の演算を施すことにより得られる演算出力と、前記第７及び第８の磁気抵抗素子の出力に前記第２の演算を施すことにより得られる演算出力とに基づいて前記第２のシャフトの前記電気角を算出する
ことを特徴とする請求項４に記載の回転角・トルクセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１２−４２３５３（Ｐ２０１２−４２３５３Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８４２８４（Ｐ２０１０−１８４２８４）
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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