回転角度検出装置及びステアリング装置
【課題】耐久性を高めることができ、かつより静寂にすることができる技術を提供する。
【解決手段】回転軸１１０に設けられる第１の磁石１０と、第１の磁石１０と所定のクリアランスを介して配置され、第１の磁石１０との間に生じる磁力により第１の磁石１０の回転に連動して回転する第２の磁石２０と、第２の磁石２０の回転角度を検出し、その検出結果に基づいて回転軸１１０の回転角度を検出する回転角度検出手段と、を備える。回転角度検出手段は、例えば、第２の磁石２０を支持し回転可能に支持される磁石支持部材４０の回転中心軸方向の一方の端部に支持された第３の磁石３０と、第３の磁石３０から発生される磁界に基づいて第３の磁石３０の回転角度を検知する磁気検出素子５０とを有し、磁気検出素子５０の検知結果に基づいて第２の磁石２０の回転角度を検出する。
【解決手段】回転軸１１０に設けられる第１の磁石１０と、第１の磁石１０と所定のクリアランスを介して配置され、第１の磁石１０との間に生じる磁力により第１の磁石１０の回転に連動して回転する第２の磁石２０と、第２の磁石２０の回転角度を検出し、その検出結果に基づいて回転軸１１０の回転角度を検出する回転角度検出手段と、を備える。回転角度検出手段は、例えば、第２の磁石２０を支持し回転可能に支持される磁石支持部材４０の回転中心軸方向の一方の端部に支持された第３の磁石３０と、第３の磁石３０から発生される磁界に基づいて第３の磁石３０の回転角度を検知する磁気検出素子５０とを有し、磁気検出素子５０の検知結果に基づいて第２の磁石２０の回転角度を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置及びステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ステアリングホイールに連結される回転軸（シャフト）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に記載の車両用ステアリングセンサは、以下のように構成されている。すなわち、ステアリングホイールと一体的に回転する第１の回転体の回転に基づき回転量と回転方向を示す信号を出力する第１，第２のフォトインタラプタと、ステアリングホイールの１回転中での回転位置を示す信号を出力する第３のフォトインタラプタとを有する。この第１の回転体には、回転位置を示すための４個の位置信号用切欠部と４個の位置信号用凸部とが非等間隔で形成されている。また、この車両用ステアリングセンサは、ステアリングホイールが１回転されるごとに間欠ギヤ及びギヤ部を介して間欠的に回転し、これに伴い可変抵抗器を回転操作する第２の回転体を有している。この可変抵抗器は、ステアリングホイールの回転回数（何回転目かの回数）を示す信号を出力する。
【０００３】
また、特許文献２に記載の舵角センサは、以下のように構成されている。すなわち、ステアリングシャフトの全回転角度範囲を双方向において１回転未満の回転角度範囲に変換するギア機構の出力軸にヨークを介して取り付けられ、半径方向に磁化された円環帯状磁石と、円環帯状磁石の外周囲に、それぞれが所定のギャップを置いて９０度間隔で固定配置される固定子と、４個のギャップのうち隣接する２個のギャップに設けられる磁気センサとを備えている。そして、この舵角センサは、２つの磁気センサの一方を９０度間隔の領域判定用として使用し、他方を角度信号取得用として使用する。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２８７６０８号公報
【特許文献２】特開２００２−１４８０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び２に記載の技術においては、回転角度を検出するために、ステアリングホイールに連結される回転軸に設けられるギヤと、センサにより直接的に検出対象となる回転軸に設けられるギヤとのギヤ結合を利用している。そのため、ギヤ結合しているギヤが摩耗すると検出精度が悪くなり、装置の耐久性が悪くなるおそれがある。また、ギヤ結合しているギヤの作動音により装置の音が大きくなるおそれがある。
そこで、本発明は、耐久性が高く、かつより静寂な装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的のもと、本発明は、回転可能に支持される回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記回転軸に設けられる第１の磁石と、前記第１の磁石と所定のクリアランスを介して配置され、当該第１の磁石との間に生じる磁力により当該第１の磁石の回転に連動して回転する第２の磁石と、前記第２の磁石の回転角度を検出し、その検出結果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、を備えることを特徴とする回転角度検出装置である。
ここで、前記第１の磁石及び前記第２の磁石は外周面に周方向に交互に配置されたＮ極とＳ極とを有し、当該第１の磁石の外周面と当該第２の磁石の外周面とが対向して配置されていることが好適である。
【０００７】
また、前記第２の磁石を支持し回転可能に支持される磁石支持部材をさらに備え、前記回転角度検出手段は、前記磁石支持部材の回転中心軸方向の一方の端部に支持された第３の磁石と、当該第３の磁石から発生される磁界に基づいて当該第３の磁石の回転角度を検知するセンサとを有し、当該センサの検知結果に基づいて前記第２の磁石の回転角度を検出することが好適である。
また、前記センサは、前記第３の磁石に対向して配置され、当該第３の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であることが好適である。
また、前記回転角度検出手段は、前記第２の磁石の外周面の外側に配置され、当該第２の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子を有することが好適である。
【０００８】
また、前記第２の磁石を支持し回転可能に支持される磁石支持部材と、当該磁石支持部材に設けられる第１の歯車と、をさらに備え、前記回転角度検出手段は、前記第１の歯車により前記磁石支持部材の回転力が伝達される複数の歯車と、当該複数の歯車のそれぞれの回転角度を検知する複数のセンサと、を有し、当該複数のセンサの検知結果に基づいて前記第２の磁石の回転角度を検出することが好適である。
また、前記センサは、検知対象となる歯車の歯又は当該歯車を支持して回転する回転部材に形成されたマークに基づいて、当該歯車の回転角度を検知することが好適である。
ここで、前記第１の磁石の回転と前記第２の磁石の回転とが非同期となることを抑制する非同期回転抑制手段をさらに有することが好適である。
【０００９】
他の観点から捉えると、本発明は、ステアリングホイールに連結される回転軸と、前記回転軸に設けられる第１の磁石と、前記第１の磁石と所定のクリアランスを介して配置され、当該第１の磁石との間に生じる磁力により当該第１の磁石の回転に連動して回転する第２の磁石と、前記第２の磁石の回転角度を検出し、その検出結果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、を備えることを特徴とするステアリング装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、装置の耐久性を高めることができる。また、より静寂にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（実施の形態）について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る回転角度検出装置１の斜視図である。図２は、第１の実施形態に係る回転角度検出装置１の軸方向の部分断面図である。
回転角度検出装置１は、例えば自動車などの乗り物の本体フレームに回転可能に支持される回転軸１１０の回転角度を検出する装置である。
回転軸１１０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、本体フレームに固定される部材であるハウジング（不図示）に固定されたボールベアリングなどの軸受を介してハウジングに回転可能に支持されている。
【００１２】
回転角度検出装置１にて、回転軸１１０の回転角度を検出することにより、回転軸１１０に連結されたステアリングホイールの回転角度の検出、ひいてはステアリングホイールが搭載された乗り物の進行方向の把握が可能となる。そして、回転角度検出装置１の検出結果は、進路案内を行う装置、ステアリングの角度に応じてサスペンションの硬さを変える装置等の各種の制御装置において使用される。
【００１３】
以下に、回転角度検出装置１について詳述する。
回転角度検出装置１は、回転軸１１０に設けられる第１の磁石１０と、第１の磁石１０と所定のクリアランスを介して配置され、第１の磁石１０との間に生じる磁力により第１の磁石１０の回転に連動して回転する第２の磁石２０と、を有する。また、回転角度検出装置１は、第２の磁石２０の回転角度を検出し、その検出結果に基づいて回転軸１１０の回転角度を検出する回転角度検出手段を有する。
【００１４】
第１の磁石１０は、リング状（ドーナツ状）であり、その内側に回転軸１１０がしまりばめで嵌合され、回転軸１１０と一体となって回転する。そして、少なくとも外周面に、Ｎ極およびＳ極が周方向に交互に配置されている。
第２の磁石２０は、リング状（ドーナツ状）であり、ハウジングに対して回転可能に支持されている。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の磁石１０と第２の磁石２０とは、接触しないように、所定の隙間を介して配置されている。また、第１の磁石１０の外周面と第２の磁石２０の外周面とが対向するように配置されている。なお、所定の隙間とは、第１の磁石１０と第２の磁石２０とが吸引し合い、第１の磁石１０が回転軸１１０の軸心回りに回転した場合に、第２の磁石２０が吸引されながら回転する隙間である。
【００１５】
第２の磁石２０は、図に示すように、磁石支持部材４０にしまりばめで嵌合されている。磁石支持部材４０は、図２に示すように、第２の磁石２０が嵌め合わされる円柱状部分４０ａと、円柱状部分４０ａの径より小さい径の円柱状部分４０ｂとからなる。そして、円柱状部分４０ｂが、乗り物の本体フレーム（不図示）に固定されるハウジング１２０に設けられたボールベアリングなどの軸受け１２１に嵌合されることにより、磁石支持部材４０は、ハウジング１２０に回転可能に支持されている。これにより、第２の磁石２０もハウジング１２０に回転可能に支持されている。
【００１６】
また、第１の実施形態に係る回転角度検出装置１の上述した回転角度検出手段は、磁石支持部材４０の回転中心軸方向の一方の端部に支持された第３の磁石３０と、第３の磁石３０から発生される磁界に基づいて第３の磁石３０の回転角度を検知するセンサの一例としての磁気検出素子５０とを有し、磁気検出素子５０の検知結果に基づいて第３の磁石３０の回転角度、ひいては第２の磁石２０の回転角度を検出する。
【００１７】
第３の磁石３０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磁石であり、磁石支持部材４０の上面に装着されて、磁石支持部材４０と一体となって回転する。なお、第３の磁石３０を、磁石支持部材４０に装着する方法としては、両者を接着あるいは粘着する方法、両者を溶接する方法などを例示することができる。
【００１８】
なお、磁石支持部材４０は、Ｎ極とＳ極とを有する第３の磁石３０を支持すればその形状は限定されない。
図３は、磁石支持部材４０と第３の磁石３０との装着態様の他の例を示す図である。
図３に示すように、円柱状の第３の磁石３０と、円柱状の凹みを有する磁石支持部材４０とをしまりばめで嵌合してもよい。また、磁石支持部材４０と第３の磁石３０とを、例えばインサート成形により一体的に成形してもよい。第３の磁石３０の形状は、円柱状に限定されない。
【００１９】
磁気検出素子５０は、第３の磁石３０から発生される磁界に基づいて第３の磁石３０の回転角度を検出する素子である。この磁気検出素子５０は、第３の磁石３０の円柱の軸方向の一方の端面と対向する位置に、第３の磁石３０との間で所定の間隙を形成するように配置されている。磁気検出素子５０は、例えば、配線パターン（不図示）が形成されたプリント基板５１に実装されている。
本実施形態に係る磁気検出素子５０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。磁気検出素子５０の検出手法については後で詳述する。
【００２０】
また、回転角度検出手段は、磁気検出素子５０による第２の磁石２０の回転角度についての検出値を基に回転軸１１０の回転角度を演算する演算手段（不図示）を有している。演算手段は、上述した制御装置の制御基板（不図示）に実装されていてもよいし、プリント基板５１に実装されていてもよい。
【００２１】
演算手段が制御装置の制御基板に実装されている場合には、磁気検出素子５０の検出値が、例えば、プリント基板５１と制御基板とを連結するケーブルを介して演算手段に出力される。また、磁気検出素子５０がプリント基板５１に実装されている場合には、磁気検出素子５０の検出値がプリント基板５１を介して演算手段に出力され、演算手段の演算結果が、プリント基板５１と制御基板とを連結するケーブルを介して制御基板へと出力される。なお、プリント基板５１は、例えば、ネジ止めなどにより本体フレームに固定されるハウジングに装着される。
【００２２】
以下に、本実施形態に係る磁気検出素子５０について説明する。
本実施形態に係る磁気検出素子５０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。
【００２３】
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変化する。
【００２４】
図４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５は、図４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４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５である。
【００２５】
図５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∝Ｈ２」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。
【００２６】
図６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７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６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。
【００２７】
図７（ａ）に示すように、抵抗値変化量は、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７（ｂ）に示すようになる。
Ｒ＝Ｒ０−ΔＲｓｉｎ２θ・・・（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検出することで把握することができる。
【００２８】
次に、ＭＲセンサの検出原理について説明する。
図８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８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。
【００２９】
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−ΔＲｓｉｎ２θ・・・（２）
Ｒ２＝Ｒ０−ΔＲｃｏｓ２θ・・・（３）
【００３０】
図９は、図８に示すＭＲセンサの構成を等価回路で示した図である。
図８に示すエレメント構成のＭＲセンサの等価回路は図９に示すようになる。
図８，９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）
【００３１】
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。
【００３２】
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１０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１０（ａ）に示すように、図８に示したエレメント構成の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１０（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。
【００３３】
そして、図１０（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１０（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１０（ｄ）に示すように２周期の波形となる。
【００３４】
図１１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１１（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８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。
【００３５】
そして、磁石を、図１１（ａ）に示すように左方向に移動させる。そして、図１１（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を移動させる。かかる場合、ＭＲセンサには、磁石の位置に応じて図１１（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１１（ｄ）に示すように１周期の波形となる。
【００３６】
図１２は、ＭＲセンサの他の例を示す図である。
図８に示したエレメント構成の代わりに図１２（ａ）に示すようなエレメント構成にすれば、図１２（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１２（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。
【００３７】
磁石の運動の方向を検出する手法について説明する。
図７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−ΔＲｓｉｎ２θ」からすると、図６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。
【００３８】
図１３は、磁石の運動方向を検出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１３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出が可能となる。これらの出力を得る為には、図１１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１４は、ＭＲセンサの配置の例を示す図である。図１４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。
【００３９】
図１５は、ＭＲセンサの他の例を示す図である。図１５（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１５（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１５（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１５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。
【００４０】
以上がＭＲセンサの動作原理・検出原理である。
このＭＲセンサの特性に鑑み、本実施形態に係る回転角度検出装置１においては、磁気検出素子５０として、図１５に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いる。そして、磁気検出素子５０を、エレメント（薄膜強磁性金属）と円柱状の第３の磁石３０の軸方向の一方の端面とが対向するように配置する。また、第３の磁石３０と磁気検出素子５０のエレメントとの距離は、エレメント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。
【００４１】
磁気検出素子５０として図１５に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いた場合には、図１０（ｃ）に示すような磁気検出素子５０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１０（ｄ）に示すような波形となる。また、同時に１／４周期の位相差を持ったＶｏｕｔＢの出力波形（図１５（ｃ）参照）を得ることができる。それゆえ、磁気検出素子５０の出力値により第３の磁石３０の回転角度、ひいては第２の磁石２０の回転角度を検出することができる。また、その際、第３の磁石３０及び第２の磁石２０の回転方向をも検出することができる。
【００４２】
一方、第１の磁石１０の極数と第２の磁石２０の極数との関係、第１の磁石１０の回転方向と第２の磁石２０の回転方向との関係を考慮すると、第３の磁石３０の回転方向を含めた回転角度と第１の磁石１０（回転軸１１０）の回転方向を含めた回転角度との関係を把握することができる。
そこで、上記事項を基に、磁気検出素子５０での検出値と、回転軸１１０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、上述した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、磁気検出素子５０による第２の磁石２０（第３の磁石３０）の回転方向を含めた回転角度の検出値と、回転角度テーブルとに基づいて、回転軸１１０の回転角度を演算できるようにしておく。
【００４３】
上述のように構成された回転角度検出装置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、これに伴って回転軸１１０が回転し、第１の磁石１０が回転する。そして、第１の磁石１０が回転するのに伴って第２の磁石２０が第１の磁石１０に吸引され、磁石支持部材４０が、第１の磁石１０の回転方向とは反対の方向に回転する。つまりは、第１の磁石１０の回転に連動して、磁石支持部材４０に支持されている第２の磁石２０および第３の磁石３０も回転する。そして、第２の磁石２０（第３の磁石３０）の回転方向を含めた回転角度を磁気検出素子５０が検出する。
そして、演算手段が、磁気検出素子５０の出力値と回転角度テーブルとに基づいて演算することにより、回転角度検出装置１は、回転軸１１０の回転角度、つまりはステアリングホイールの回転方向を含めた回転角度（舵角）を検出することが可能となる。
【００４４】
このように、本実施形態に係る回転角度検出装置１においては、回転角度の検出対象である回転軸１１０の回転駆動力が非接触で第２の磁石２０の回転駆動力として伝達され、この第２の磁石２０の回転角度を磁気検出素子５０にて検出し、その検出結果を基に回転軸１１０の回転角度を検出する。それゆえ、第２，第３の磁石２０，３０や磁気検出素子５０などから構成される検出側のユニットと回転角度検出の対象となる回転軸１１０側とをギヤ結合し、回転軸１１０の回転角度を検出する装置よりは、耐久性を向上させることができるとともに静寂な装置にすることができる。
【００４５】
また、検出側のユニットと回転軸１１０側とをギヤ結合する場合には、両者を組み付ける際には両ギヤの歯を噛み合わせる必要があるが、本実施形態に係る回転角度検出装置１においては、検出側のユニットと回転軸１１０側とは非接触であるため、検出側のユニットを本体フレームに容易に組み込むことが可能となる。
また、検出側のユニットと回転軸１１０側とは非接触であるため、例えばハウジング内など密閉された空間に配置された回転軸１１０の回転角度を、その空間の外側に配置された検出側のユニットにて検出することが可能となる。
【００４６】
なお、第２の磁石２０の極数を、第１の磁石１０の極数のＮ倍にすることで、第２の磁石２０の１回転分の回転角度の検出で回転軸１１０（ステアリングホイール）のＮ回転分の回転角度の検出が可能となる。例えば、第１の磁石１０の極数を１２極、第２の磁石２０の極数を２４極と選択することにより、磁気検出素子５０が７２０度（両回転方向に３６０度（１回転）ずつ）検出可能である場合には、回転軸１１０（ステアリングホイール）の１４４０度（両回転方向に７２０度（２回転）ずつ）分の回転角度の検出が可能となる。
【００４７】
なお、上述した実施形態においては、磁気検出素子５０として図１５に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いたが、図８に示すエレメント構成のＭＲセンサあるいは図１３に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いてもよい。
かかる場合には、磁気検出素子５０の出力波形は、図１０（ｄ）に示すような波形となる。それゆえ、回転角度検出装置１は、磁気検出素子５０にて第２の磁石２０（第３の磁石３０）の回転角度を、検出することで、回転軸１１０（ステアリングホイール）の回転角度を検出することが可能となる。
【００４８】
＜第２の実施形態＞
図１６は、第２の実施形態に係る回転角度検出装置２の斜視図である。
本実施形態に係る回転角度検出装置２においては、磁気検出素子５０を、第２の磁石２０の回転半径方向には第２の磁石２０の外周面の外側であり、回転軸１１０の軸方向には第２の磁石２０が設けられた領域内となるように配置し、第２の磁石２０から発生される磁界の変化に基づいて第２の磁石２０の回転角度を検出する点に特徴がある。なお、第２の磁石２０と磁気検出素子５０のエレメントとの距離は、エレメント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。以下では第１の実施形態との差異点についてのみ説明する。
【００４９】
本実施形態は、第２の磁石２０を回転駆動させる第２の磁石２０から発生される磁界と同一の磁界を用いて第２の磁石２０の回転角度を検出する点に特徴がある。それゆえ、本実施形態に係る磁気検出素子５０として、図１５に示すエレメント構成のＭＲセンサを用い、回転軸１１０の軸心に対して薄膜強磁性金属が垂直に延びるようにＭＲセンサを配置する。かかる場合には、第２の磁石２０から発生される磁界により、磁気検出素子５０には、第２の磁石２０の位置に応じて、図１１（ｃ）に示すような磁界方向の変化となり、ＶｏｕｔＡの出力波形と磁界方向との関係は図１１（ｄ）に示すような波形となる。また、同時に１／４周期の位相差を持ったＶｏｕｔＢの出力波形（図１５（ｃ）参照）を得ることができる。それゆえ、磁気検出素子５０の出力値により第２の磁石２０の回転角度を検出することができると共に第２の磁石２０の回転方向をも検出することができる。
【００５０】
そこで、上記事項を基に、磁気検出素子５０での検出値と、回転軸１１０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、上述した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、磁気検出素子５０による第２の磁石２０の回転方向を含めた回転角度の検出値と、回転角度テーブルとに基づいて、回転軸１１０の回転角度を演算できるようにしておく。
これにより、演算手段が、磁気検出素子５０の出力値と回転角度テーブルとに基づいて演算することにより、回転角度検出装置２は、回転軸１１０の回転角度、つまりはステアリングホイールの回転方向を含めた回転角度（舵角）を検出することが可能となる。
【００５１】
＜第３の実施形態＞
図１７は、第３の実施形態に係る回転角度検出装置３の上面図である。図１８は、図１７のＡ−Ａ部における断面図である。
第３の実施形態に係る回転角度検出装置３は、第２の磁石２０を支持し回転可能に支持される磁石支持部材４００と、磁石支持部材４００に設けられる第１の歯車４１０と、を備える。そして、回転角度検出手段は、第１の歯車４１０により磁石支持部材４００の回転力が伝達される複数の歯車と、これら複数の歯車のそれぞれの回転角度を検知する複数のセンサと、を有し、これら複数のセンサの検知結果に基づいて第２の磁石２０の回転角度を検出する点に特徴がある。以下では第１の実施形態と異なる点について説明する。
【００５２】
第３の実施形態に係る回転角度検出装置３は、図１７，図１８に示すように、磁石支持部材４００に設けられた第１の歯車４１０と噛み合う第２の歯車４２０と、第１の歯車４１０と噛み合い第２の歯車４２０の歯数とは異なる歯数を有する第３の歯車４３０とを有する。図１８に示すように、第２の歯車４２０は、回転軸４２１、軸受け４２２を介してハウジング１３０に回転可能に支持されており、第３の歯車４３０は、回転軸４３１、軸受け４３２を介してハウジング１３０に回転可能に支持されている。
【００５３】
また、回転角度検出装置３は、第２の歯車４２０の回転角度を検出する第２の回転角度センサ５２０（図１７参照）を有している。第２の回転角度センサ５２０は、第２の歯車４２０の回転半径方向の外側に配置されており、第２の歯車４２０の歯又は回転軸４２１の周方向に複数形成された角度マークに基づいて第２の歯車４２０の回転角度を検出する。
また、回転角度検出装置３は、第３の歯車４３０の回転角度を検出する第３の回転角度センサ５３０（図１７参照）を有している。第３の回転角度センサ５３０は、第３の歯車４３０の回転半径方向の外側に配置されており、第３の歯車４３０の歯又は回転軸４３１の周方向に複数形成された角度マークに基づいて第３の歯車４３０の回転角度を検出する。
【００５４】
このように構成された回転角度検出装置３においては、第１の歯車４１０の歯数と第２の歯車４２０の歯数との関係、第１の歯車４１０の歯数と第３の歯車４３０の歯数との関係を考慮すると共に、第２の歯車４２０の歯数と第３の歯車４３０の歯数とが異なる点を考慮すると、図１９に示すような、第２の磁石２０の回転角度と、第２，３の歯車４２０，４３０の回転角度との関係を示す図を得ることができる。また、第１の磁石１０の極数と第２の磁石２０の極数との関係から、第２の磁石２０の回転角度から回転軸１１０（ステアリングホイール）の回転角度を算出することが可能となる。したがって、第２，３の歯車４２０，４３０の回転角度を検出することで第２の磁石２０の回転角度を検出し、その検出結果に基づいて回転軸１１０の回転角度を把握することが可能となる。
【００５５】
そこで、上記事項を基に、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０での検出値と、第２の磁石２０の回転角度と、回転軸１１０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の回転角度センサ５２０，５３０による第２，３の歯車４２０，４３０の回転角度の出力値と、回転角度テーブルとに基づいて、回転軸１１０の回転角度を演算できるようにしておく。
【００５６】
上述のように構成された回転角度検出装置３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、これに伴って回転軸１１０が回転し、第１の磁石１０が回転する。そして、第１の磁石１０が回転するのに伴って第２の磁石２０が第１の磁石１０に吸引され、磁石支持部材４０が、第１の磁石１０の回転方向とは反対の方向に回転する。つまりは、第１の磁石１０の回転に連動して、磁石支持部材４０に支持されている第２の磁石２０および第１の歯車４１０も回転する。そして、第２，３の歯車４２０，４３０が回転し、これらの回転角度を、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０が検出する。
そして、演算手段が、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０の出力値と回転角度テーブルとに基づいて演算することにより、回転角度検出装置１は、回転軸１１０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。
【００５７】
このように、本実施形態に係る回転角度検出装置３においては、回転角度の検出対象である回転軸１１０の回転駆動力が、非接触で、第２の磁石２０、第１，第２，３の歯車４１０，４２０，４３０、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０などから構成される検出側のユニットに伝達される。そして、第２，３の歯車４２０，４３０の回転角度を第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０にて検出し、その検出結果を基に回転軸１１０の回転角度を検出する。それゆえ、検出側のユニットと回転角度検出の対象となる回転軸１１０側とをギヤ結合する装置よりは、耐久性を向上させることができるとともに静寂な装置にすることができる。
【００５８】
また、本実施形態に係る回転角度検出装置３は、検出側のユニットと回転軸１１０側とは非接触であるため、検出側のユニットを本体フレームに容易に組み込むことが可能となるのは第１の実施形態と同様である。また、密閉された空間に配置された回転軸１１０の回転角度を、その空間の外側に検出側のユニットを配置しても検出することが可能となるのは第１の実施形態と同様である。
【００５９】
また、第２の磁石２０の極数を、第１の磁石１０の極数のＮ倍にすることで、第２の磁石２０の１回転分の回転角度の検出で回転軸１１０（ステアリングホイール）のＮ回転分の回転角度の検出が可能となるのも第１の実施形態と同様である。
【００６０】
なお、図１９においては、第２の磁石２０の回転角度が１４４０度（＝３６０度×４）分の第２，３の歯車４２０，４３０の回転角度を示している。かかる場合、第２の磁石２０の回転角度が７２０度であるときを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）の第２の磁石２０の回転角度の検出が可能となる。
【００６１】
また、本実施形態に係る第２，第３の歯車４２０，４３０の歯数は異ならせており、両歯数の関係を、図１９に示すように、第２の磁石２０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４２０及び第３の歯車４３０の回転角度を把握することにより一義的に第２の磁石２０の回転角度を把握することを実現している。
【００６２】
そして、第２，第３の歯車４２０，４３０の歯数として、第２の磁石２０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、第２の磁石２０の「Ｎ／３６０」回転分の回転角度を把握することが可能となる。
【００６３】
なお、第３の実施形態においては、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０を用いて第２，第３の歯車４２０，４３０の回転角度を検出しているが、第２，第３の歯車４２０，４３０の回転角度を検出する手法としてはかかる態様に限定されない。例えば、第２，第３の歯車４２０，４３０を支持する回転軸４２１，４３１に、それぞれ第１の実施形態の第３の磁石３０のような磁石を装着する。そして、第１の実施形態の第３の磁石３０に対する磁気検出素子５０と同様に、それぞれの磁石に対向するように、図８に示すエレメント構成のＭＲセンサあるいは図１３に示すエレメント構成のＭＲセンサを配置する。かかる構成でも、第２，第３の歯車４２０，４３０の回転角度を検出することができるので、その値を基に回転軸１１０の回転角度を検出することが可能となる。
【００６４】
また、第３の実施形態においては、ともに第１の歯車４１０に噛み合わせた第２の歯車４２０及び第３の歯車４３０の回転角度を検出することにより回転軸１１０の回転角度を検出しているが、第２の磁石２０の回転に起因して回転すれば、全ての歯車が第１の歯車４１０に噛み合っていなくてもよい。
例えば、第３の歯車４３０を、第１の歯車４１０に噛み合わせるのではなく、第２の歯車４２０に噛み合わせてもよい。あるいは、第３の歯車４３０を、第２の歯車４２０から回転駆動力を得る第４の歯車（不図示）に噛み合わせてもよい。かかる場合においても、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０を用いて第２，第３の歯車４２０，４３０の回転角度を検出することで回転軸１１０の回転角度を検出可能であるとともに、センサにて直接的に検知する歯車の歯数及びレイアウトの選択の自由度が増す。また、例えば上述した第４の歯車の回転角度を検出する第４の回転角度センサをも備え、第２，第３の歯車４２０，４３０に加えて第４の歯車の回転角度を加味して第２の磁石２０の回転角度を検出することでより広範囲の角度を検出することが可能となる。
【００６５】
なお、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、回転軸１１０に固定された部材を介して回転軸１１０に固定されていてもよい。同様に、第２の磁石２０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、磁石支持部材４０（４００）に固定された部材を介して磁石支持部材４０（４００）に固定されていてもよい。
【００６６】
なお、上述した第１〜第３の実施形態に係る回転角度検出装置１〜３において、第１の磁石１０の回転と第２の磁石２０の回転の位相がずれて、非同期となることを抑制する非同期回転抑制手段の一例としてのスリップ防止機構２００（図２０参照）を備えることが好適である。なお、第１の磁石１０のＮ極に第２の磁石２０のＳ極が吸引されて、および／または第１の磁石１０のＳ極に第２の磁石２０のＮ極が吸引されて第２の磁石２０が回転し、両磁石の回転速度が両磁石の極数に反比例する場合に、両磁石の回転は同期しているという。
【００６７】
図２０は、スリップ防止機構２００の概略構成図である。
スリップ防止機構２００は、回転軸１１０に設けられた第１の非同期抑制歯車２０１と、磁石支持部材４０に設けられた第２の非同期抑制歯車２０２とを有している。
図２１は、第１の非同期抑制歯車２０１に形成された歯と第２の非同期抑制歯車２０２に形成された歯との配置関係を説明する模式図である。
【００６８】
第１の非同期抑制歯車２０１と第２の非同期抑制歯車２０２は、共に極数と同数の歯を有している。そして、図２１に示すように、第１の非同期抑制歯車２０１は、図２０の時計回転方向に見た場合に、Ｎ極とＳ極との間に歯が形成されており、第２の非同期抑制歯車２０２は、図２０の反時計回転方向に見た場合に、Ｎ極とＳ極との間に歯が形成されている。それゆえ、第１の磁石１０と第２の磁石２０とが静止しており、第１の磁石１０のＮ極と第２の磁石２０のＳ極が、および第１の磁石１０のＳ極と第２の磁石２０のＮ極が吸引している場合に、第１の非同期抑制歯車２０１または第２の非同期抑制歯車２０２の一方の歯車の歯が対向する他方の歯車の歯の間に位置する。
【００６９】
また、第１の非同期抑制歯車２０１および第２の非同期抑制歯車２０２の歯の大きさは、第１の磁石１０と第２の磁石２０とが同期して回転する場合には、両歯車の歯は干渉しない大きさに形成されている。他方、第１の磁石１０の回転に第２の磁石２０の回転が追従できずに両磁石の回転が非同期となりそうな場合には、第１の非同期抑制歯車２０１又は第２の非同期抑制歯車２０２の一方の歯車が他方の歯車の歯に突き当たる大きさに形成されている。
【００７０】
このように構成されたスリップ防止機構２００は、以下のように機能する。
例えば、ドライバによりステアリングホイールが急に回転させられた場合や、車両が縁石に乗り上げた場合など、第１の磁石１０の回転速度が急上昇して第２の磁石２０が第１の磁石１０の回転に追従できない場合においても、第１の非同期抑制歯車２０１の歯が第２の非同期抑制歯車２０２の歯に突き当たるので、両歯車により第１の磁石１０の回転力が第２の磁石２０の回転力として伝達される。これにより、第１の磁石１０の回転と第２の磁石２０の回転とが非同期となることが抑制される。それゆえ、回転角度検出装置１〜３による検出精度が向上する。
【００７１】
なお、図２０に示したスリップ防止機構２００においては、第１の非同期抑制歯車２０１と第１の磁石１０、および第２の非同期抑制歯車２０２と第２の磁石２０とが別々の物体として構成されているが、抑制歯車と磁石とが一体的に形成されていてもよい。
また、第１の非同期抑制歯車２０１および第２の非同期抑制歯車２０２の材質は、磁性材料でも非磁性材料でもよいが、第１の非同期抑制歯車２０１の歯と第２の非同期抑制歯車２０２の歯が衝突したとしても破損しないように、想定される両歯車の衝突エネルギー量に応じて選定することが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】第１の実施形態に係る回転角度検出装置の斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る回転角度検出装置の軸方向の部分断面図である。
【図３】磁石支持部材と第３の磁石との装着態様の他の例を示す図である。
【図４】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５】図４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６】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７】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８】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９】図８に示すＭＲセンサの構成を等価回路で示した図である。
【図１０】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１１】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１２】ＭＲセンサの他の例を示す図である。
【図１３】磁石の運動方向を検出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１４】ＭＲセンサの配置の例を示す図である。
【図１５】ＭＲセンサの他の例を示す図である。
【図１６】第２の実施形態に係る回転角度検出装置の斜視図である。
【図１７】第３の実施形態に係る回転角度検出装置の上面図である。
【図１８】図１７のＡ−Ａ部における断面図である。
【図１９】第２の磁石の回転角度と、第２，３の歯車の回転角度との関係を示す図である。
【図２０】スリップ防止機構の概略構成図である。
【図２１】第１の非同期抑制歯車に形成された歯と第２の非同期抑制歯車に形成された歯との配置関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００７３】
１，２，３…回転角度検出装置、１０…第１の磁石、２０…第２の磁石、３０…第３の磁石、４０…磁石支持部材、５０…磁気検出素子、１１０…回転軸、２００…スリップ防止機構、４１０…第１の歯車、４２０…第２の歯車、４３０…第３の歯車、５２０…第２の回転角度センサ、５３０…第３の回転角度センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置及びステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ステアリングホイールに連結される回転軸（シャフト）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に記載の車両用ステアリングセンサは、以下のように構成されている。すなわち、ステアリングホイールと一体的に回転する第１の回転体の回転に基づき回転量と回転方向を示す信号を出力する第１，第２のフォトインタラプタと、ステアリングホイールの１回転中での回転位置を示す信号を出力する第３のフォトインタラプタとを有する。この第１の回転体には、回転位置を示すための４個の位置信号用切欠部と４個の位置信号用凸部とが非等間隔で形成されている。また、この車両用ステアリングセンサは、ステアリングホイールが１回転されるごとに間欠ギヤ及びギヤ部を介して間欠的に回転し、これに伴い可変抵抗器を回転操作する第２の回転体を有している。この可変抵抗器は、ステアリングホイールの回転回数（何回転目かの回数）を示す信号を出力する。
【０００３】
また、特許文献２に記載の舵角センサは、以下のように構成されている。すなわち、ステアリングシャフトの全回転角度範囲を双方向において１回転未満の回転角度範囲に変換するギア機構の出力軸にヨークを介して取り付けられ、半径方向に磁化された円環帯状磁石と、円環帯状磁石の外周囲に、それぞれが所定のギャップを置いて９０度間隔で固定配置される固定子と、４個のギャップのうち隣接する２個のギャップに設けられる磁気センサとを備えている。そして、この舵角センサは、２つの磁気センサの一方を９０度間隔の領域判定用として使用し、他方を角度信号取得用として使用する。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２８７６０８号公報
【特許文献２】特開２００２−１４８０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び２に記載の技術においては、回転角度を検出するために、ステアリングホイールに連結される回転軸に設けられるギヤと、センサにより直接的に検出対象となる回転軸に設けられるギヤとのギヤ結合を利用している。そのため、ギヤ結合しているギヤが摩耗すると検出精度が悪くなり、装置の耐久性が悪くなるおそれがある。また、ギヤ結合しているギヤの作動音により装置の音が大きくなるおそれがある。
そこで、本発明は、耐久性が高く、かつより静寂な装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的のもと、本発明は、回転可能に支持される回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記回転軸に設けられる第１の磁石と、前記第１の磁石と所定のクリアランスを介して配置され、当該第１の磁石との間に生じる磁力により当該第１の磁石の回転に連動して回転する第２の磁石と、前記第２の磁石の回転角度を検出し、その検出結果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、を備えることを特徴とする回転角度検出装置である。
ここで、前記第１の磁石及び前記第２の磁石は外周面に周方向に交互に配置されたＮ極とＳ極とを有し、当該第１の磁石の外周面と当該第２の磁石の外周面とが対向して配置されていることが好適である。
【０００７】
また、前記第２の磁石を支持し回転可能に支持される磁石支持部材をさらに備え、前記回転角度検出手段は、前記磁石支持部材の回転中心軸方向の一方の端部に支持された第３の磁石と、当該第３の磁石から発生される磁界に基づいて当該第３の磁石の回転角度を検知するセンサとを有し、当該センサの検知結果に基づいて前記第２の磁石の回転角度を検出することが好適である。
また、前記センサは、前記第３の磁石に対向して配置され、当該第３の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であることが好適である。
また、前記回転角度検出手段は、前記第２の磁石の外周面の外側に配置され、当該第２の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子を有することが好適である。
【０００８】
また、前記第２の磁石を支持し回転可能に支持される磁石支持部材と、当該磁石支持部材に設けられる第１の歯車と、をさらに備え、前記回転角度検出手段は、前記第１の歯車により前記磁石支持部材の回転力が伝達される複数の歯車と、当該複数の歯車のそれぞれの回転角度を検知する複数のセンサと、を有し、当該複数のセンサの検知結果に基づいて前記第２の磁石の回転角度を検出することが好適である。
また、前記センサは、検知対象となる歯車の歯又は当該歯車を支持して回転する回転部材に形成されたマークに基づいて、当該歯車の回転角度を検知することが好適である。
ここで、前記第１の磁石の回転と前記第２の磁石の回転とが非同期となることを抑制する非同期回転抑制手段をさらに有することが好適である。
【０００９】
他の観点から捉えると、本発明は、ステアリングホイールに連結される回転軸と、前記回転軸に設けられる第１の磁石と、前記第１の磁石と所定のクリアランスを介して配置され、当該第１の磁石との間に生じる磁力により当該第１の磁石の回転に連動して回転する第２の磁石と、前記第２の磁石の回転角度を検出し、その検出結果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、を備えることを特徴とするステアリング装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、装置の耐久性を高めることができる。また、より静寂にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（実施の形態）について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る回転角度検出装置１の斜視図である。図２は、第１の実施形態に係る回転角度検出装置１の軸方向の部分断面図である。
回転角度検出装置１は、例えば自動車などの乗り物の本体フレームに回転可能に支持される回転軸１１０の回転角度を検出する装置である。
回転軸１１０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、本体フレームに固定される部材であるハウジング（不図示）に固定されたボールベアリングなどの軸受を介してハウジングに回転可能に支持されている。
【００１２】
回転角度検出装置１にて、回転軸１１０の回転角度を検出することにより、回転軸１１０に連結されたステアリングホイールの回転角度の検出、ひいてはステアリングホイールが搭載された乗り物の進行方向の把握が可能となる。そして、回転角度検出装置１の検出結果は、進路案内を行う装置、ステアリングの角度に応じてサスペンションの硬さを変える装置等の各種の制御装置において使用される。
【００１３】
以下に、回転角度検出装置１について詳述する。
回転角度検出装置１は、回転軸１１０に設けられる第１の磁石１０と、第１の磁石１０と所定のクリアランスを介して配置され、第１の磁石１０との間に生じる磁力により第１の磁石１０の回転に連動して回転する第２の磁石２０と、を有する。また、回転角度検出装置１は、第２の磁石２０の回転角度を検出し、その検出結果に基づいて回転軸１１０の回転角度を検出する回転角度検出手段を有する。
【００１４】
第１の磁石１０は、リング状（ドーナツ状）であり、その内側に回転軸１１０がしまりばめで嵌合され、回転軸１１０と一体となって回転する。そして、少なくとも外周面に、Ｎ極およびＳ極が周方向に交互に配置されている。
第２の磁石２０は、リング状（ドーナツ状）であり、ハウジングに対して回転可能に支持されている。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の磁石１０と第２の磁石２０とは、接触しないように、所定の隙間を介して配置されている。また、第１の磁石１０の外周面と第２の磁石２０の外周面とが対向するように配置されている。なお、所定の隙間とは、第１の磁石１０と第２の磁石２０とが吸引し合い、第１の磁石１０が回転軸１１０の軸心回りに回転した場合に、第２の磁石２０が吸引されながら回転する隙間である。
【００１５】
第２の磁石２０は、図に示すように、磁石支持部材４０にしまりばめで嵌合されている。磁石支持部材４０は、図２に示すように、第２の磁石２０が嵌め合わされる円柱状部分４０ａと、円柱状部分４０ａの径より小さい径の円柱状部分４０ｂとからなる。そして、円柱状部分４０ｂが、乗り物の本体フレーム（不図示）に固定されるハウジング１２０に設けられたボールベアリングなどの軸受け１２１に嵌合されることにより、磁石支持部材４０は、ハウジング１２０に回転可能に支持されている。これにより、第２の磁石２０もハウジング１２０に回転可能に支持されている。
【００１６】
また、第１の実施形態に係る回転角度検出装置１の上述した回転角度検出手段は、磁石支持部材４０の回転中心軸方向の一方の端部に支持された第３の磁石３０と、第３の磁石３０から発生される磁界に基づいて第３の磁石３０の回転角度を検知するセンサの一例としての磁気検出素子５０とを有し、磁気検出素子５０の検知結果に基づいて第３の磁石３０の回転角度、ひいては第２の磁石２０の回転角度を検出する。
【００１７】
第３の磁石３０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磁石であり、磁石支持部材４０の上面に装着されて、磁石支持部材４０と一体となって回転する。なお、第３の磁石３０を、磁石支持部材４０に装着する方法としては、両者を接着あるいは粘着する方法、両者を溶接する方法などを例示することができる。
【００１８】
なお、磁石支持部材４０は、Ｎ極とＳ極とを有する第３の磁石３０を支持すればその形状は限定されない。
図３は、磁石支持部材４０と第３の磁石３０との装着態様の他の例を示す図である。
図３に示すように、円柱状の第３の磁石３０と、円柱状の凹みを有する磁石支持部材４０とをしまりばめで嵌合してもよい。また、磁石支持部材４０と第３の磁石３０とを、例えばインサート成形により一体的に成形してもよい。第３の磁石３０の形状は、円柱状に限定されない。
【００１９】
磁気検出素子５０は、第３の磁石３０から発生される磁界に基づいて第３の磁石３０の回転角度を検出する素子である。この磁気検出素子５０は、第３の磁石３０の円柱の軸方向の一方の端面と対向する位置に、第３の磁石３０との間で所定の間隙を形成するように配置されている。磁気検出素子５０は、例えば、配線パターン（不図示）が形成されたプリント基板５１に実装されている。
本実施形態に係る磁気検出素子５０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。磁気検出素子５０の検出手法については後で詳述する。
【００２０】
また、回転角度検出手段は、磁気検出素子５０による第２の磁石２０の回転角度についての検出値を基に回転軸１１０の回転角度を演算する演算手段（不図示）を有している。演算手段は、上述した制御装置の制御基板（不図示）に実装されていてもよいし、プリント基板５１に実装されていてもよい。
【００２１】
演算手段が制御装置の制御基板に実装されている場合には、磁気検出素子５０の検出値が、例えば、プリント基板５１と制御基板とを連結するケーブルを介して演算手段に出力される。また、磁気検出素子５０がプリント基板５１に実装されている場合には、磁気検出素子５０の検出値がプリント基板５１を介して演算手段に出力され、演算手段の演算結果が、プリント基板５１と制御基板とを連結するケーブルを介して制御基板へと出力される。なお、プリント基板５１は、例えば、ネジ止めなどにより本体フレームに固定されるハウジングに装着される。
【００２２】
以下に、本実施形態に係る磁気検出素子５０について説明する。
本実施形態に係る磁気検出素子５０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。
【００２３】
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変化する。
【００２４】
図４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５は、図４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４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５である。
【００２５】
図５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∝Ｈ２」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。
【００２６】
図６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７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６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。
【００２７】
図７（ａ）に示すように、抵抗値変化量は、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７（ｂ）に示すようになる。
Ｒ＝Ｒ０−ΔＲｓｉｎ２θ・・・（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検出することで把握することができる。
【００２８】
次に、ＭＲセンサの検出原理について説明する。
図８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８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。
【００２９】
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−ΔＲｓｉｎ２θ・・・（２）
Ｒ２＝Ｒ０−ΔＲｃｏｓ２θ・・・（３）
【００３０】
図９は、図８に示すＭＲセンサの構成を等価回路で示した図である。
図８に示すエレメント構成のＭＲセンサの等価回路は図９に示すようになる。
図８，９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）
【００３１】
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。
【００３２】
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１０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１０（ａ）に示すように、図８に示したエレメント構成の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１０（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。
【００３３】
そして、図１０（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１０（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１０（ｄ）に示すように２周期の波形となる。
【００３４】
図１１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１１（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８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。
【００３５】
そして、磁石を、図１１（ａ）に示すように左方向に移動させる。そして、図１１（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を移動させる。かかる場合、ＭＲセンサには、磁石の位置に応じて図１１（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１１（ｄ）に示すように１周期の波形となる。
【００３６】
図１２は、ＭＲセンサの他の例を示す図である。
図８に示したエレメント構成の代わりに図１２（ａ）に示すようなエレメント構成にすれば、図１２（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１２（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。
【００３７】
磁石の運動の方向を検出する手法について説明する。
図７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−ΔＲｓｉｎ２θ」からすると、図６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。
【００３８】
図１３は、磁石の運動方向を検出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１３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出が可能となる。これらの出力を得る為には、図１１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１４は、ＭＲセンサの配置の例を示す図である。図１４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。
【００３９】
図１５は、ＭＲセンサの他の例を示す図である。図１５（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１５（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１５（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１５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。
【００４０】
以上がＭＲセンサの動作原理・検出原理である。
このＭＲセンサの特性に鑑み、本実施形態に係る回転角度検出装置１においては、磁気検出素子５０として、図１５に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いる。そして、磁気検出素子５０を、エレメント（薄膜強磁性金属）と円柱状の第３の磁石３０の軸方向の一方の端面とが対向するように配置する。また、第３の磁石３０と磁気検出素子５０のエレメントとの距離は、エレメント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。
【００４１】
磁気検出素子５０として図１５に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いた場合には、図１０（ｃ）に示すような磁気検出素子５０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１０（ｄ）に示すような波形となる。また、同時に１／４周期の位相差を持ったＶｏｕｔＢの出力波形（図１５（ｃ）参照）を得ることができる。それゆえ、磁気検出素子５０の出力値により第３の磁石３０の回転角度、ひいては第２の磁石２０の回転角度を検出することができる。また、その際、第３の磁石３０及び第２の磁石２０の回転方向をも検出することができる。
【００４２】
一方、第１の磁石１０の極数と第２の磁石２０の極数との関係、第１の磁石１０の回転方向と第２の磁石２０の回転方向との関係を考慮すると、第３の磁石３０の回転方向を含めた回転角度と第１の磁石１０（回転軸１１０）の回転方向を含めた回転角度との関係を把握することができる。
そこで、上記事項を基に、磁気検出素子５０での検出値と、回転軸１１０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、上述した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、磁気検出素子５０による第２の磁石２０（第３の磁石３０）の回転方向を含めた回転角度の検出値と、回転角度テーブルとに基づいて、回転軸１１０の回転角度を演算できるようにしておく。
【００４３】
上述のように構成された回転角度検出装置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、これに伴って回転軸１１０が回転し、第１の磁石１０が回転する。そして、第１の磁石１０が回転するのに伴って第２の磁石２０が第１の磁石１０に吸引され、磁石支持部材４０が、第１の磁石１０の回転方向とは反対の方向に回転する。つまりは、第１の磁石１０の回転に連動して、磁石支持部材４０に支持されている第２の磁石２０および第３の磁石３０も回転する。そして、第２の磁石２０（第３の磁石３０）の回転方向を含めた回転角度を磁気検出素子５０が検出する。
そして、演算手段が、磁気検出素子５０の出力値と回転角度テーブルとに基づいて演算することにより、回転角度検出装置１は、回転軸１１０の回転角度、つまりはステアリングホイールの回転方向を含めた回転角度（舵角）を検出することが可能となる。
【００４４】
このように、本実施形態に係る回転角度検出装置１においては、回転角度の検出対象である回転軸１１０の回転駆動力が非接触で第２の磁石２０の回転駆動力として伝達され、この第２の磁石２０の回転角度を磁気検出素子５０にて検出し、その検出結果を基に回転軸１１０の回転角度を検出する。それゆえ、第２，第３の磁石２０，３０や磁気検出素子５０などから構成される検出側のユニットと回転角度検出の対象となる回転軸１１０側とをギヤ結合し、回転軸１１０の回転角度を検出する装置よりは、耐久性を向上させることができるとともに静寂な装置にすることができる。
【００４５】
また、検出側のユニットと回転軸１１０側とをギヤ結合する場合には、両者を組み付ける際には両ギヤの歯を噛み合わせる必要があるが、本実施形態に係る回転角度検出装置１においては、検出側のユニットと回転軸１１０側とは非接触であるため、検出側のユニットを本体フレームに容易に組み込むことが可能となる。
また、検出側のユニットと回転軸１１０側とは非接触であるため、例えばハウジング内など密閉された空間に配置された回転軸１１０の回転角度を、その空間の外側に配置された検出側のユニットにて検出することが可能となる。
【００４６】
なお、第２の磁石２０の極数を、第１の磁石１０の極数のＮ倍にすることで、第２の磁石２０の１回転分の回転角度の検出で回転軸１１０（ステアリングホイール）のＮ回転分の回転角度の検出が可能となる。例えば、第１の磁石１０の極数を１２極、第２の磁石２０の極数を２４極と選択することにより、磁気検出素子５０が７２０度（両回転方向に３６０度（１回転）ずつ）検出可能である場合には、回転軸１１０（ステアリングホイール）の１４４０度（両回転方向に７２０度（２回転）ずつ）分の回転角度の検出が可能となる。
【００４７】
なお、上述した実施形態においては、磁気検出素子５０として図１５に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いたが、図８に示すエレメント構成のＭＲセンサあるいは図１３に示すエレメント構成のＭＲセンサを用いてもよい。
かかる場合には、磁気検出素子５０の出力波形は、図１０（ｄ）に示すような波形となる。それゆえ、回転角度検出装置１は、磁気検出素子５０にて第２の磁石２０（第３の磁石３０）の回転角度を、検出することで、回転軸１１０（ステアリングホイール）の回転角度を検出することが可能となる。
【００４８】
＜第２の実施形態＞
図１６は、第２の実施形態に係る回転角度検出装置２の斜視図である。
本実施形態に係る回転角度検出装置２においては、磁気検出素子５０を、第２の磁石２０の回転半径方向には第２の磁石２０の外周面の外側であり、回転軸１１０の軸方向には第２の磁石２０が設けられた領域内となるように配置し、第２の磁石２０から発生される磁界の変化に基づいて第２の磁石２０の回転角度を検出する点に特徴がある。なお、第２の磁石２０と磁気検出素子５０のエレメントとの距離は、エレメント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。以下では第１の実施形態との差異点についてのみ説明する。
【００４９】
本実施形態は、第２の磁石２０を回転駆動させる第２の磁石２０から発生される磁界と同一の磁界を用いて第２の磁石２０の回転角度を検出する点に特徴がある。それゆえ、本実施形態に係る磁気検出素子５０として、図１５に示すエレメント構成のＭＲセンサを用い、回転軸１１０の軸心に対して薄膜強磁性金属が垂直に延びるようにＭＲセンサを配置する。かかる場合には、第２の磁石２０から発生される磁界により、磁気検出素子５０には、第２の磁石２０の位置に応じて、図１１（ｃ）に示すような磁界方向の変化となり、ＶｏｕｔＡの出力波形と磁界方向との関係は図１１（ｄ）に示すような波形となる。また、同時に１／４周期の位相差を持ったＶｏｕｔＢの出力波形（図１５（ｃ）参照）を得ることができる。それゆえ、磁気検出素子５０の出力値により第２の磁石２０の回転角度を検出することができると共に第２の磁石２０の回転方向をも検出することができる。
【００５０】
そこで、上記事項を基に、磁気検出素子５０での検出値と、回転軸１１０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、上述した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、磁気検出素子５０による第２の磁石２０の回転方向を含めた回転角度の検出値と、回転角度テーブルとに基づいて、回転軸１１０の回転角度を演算できるようにしておく。
これにより、演算手段が、磁気検出素子５０の出力値と回転角度テーブルとに基づいて演算することにより、回転角度検出装置２は、回転軸１１０の回転角度、つまりはステアリングホイールの回転方向を含めた回転角度（舵角）を検出することが可能となる。
【００５１】
＜第３の実施形態＞
図１７は、第３の実施形態に係る回転角度検出装置３の上面図である。図１８は、図１７のＡ−Ａ部における断面図である。
第３の実施形態に係る回転角度検出装置３は、第２の磁石２０を支持し回転可能に支持される磁石支持部材４００と、磁石支持部材４００に設けられる第１の歯車４１０と、を備える。そして、回転角度検出手段は、第１の歯車４１０により磁石支持部材４００の回転力が伝達される複数の歯車と、これら複数の歯車のそれぞれの回転角度を検知する複数のセンサと、を有し、これら複数のセンサの検知結果に基づいて第２の磁石２０の回転角度を検出する点に特徴がある。以下では第１の実施形態と異なる点について説明する。
【００５２】
第３の実施形態に係る回転角度検出装置３は、図１７，図１８に示すように、磁石支持部材４００に設けられた第１の歯車４１０と噛み合う第２の歯車４２０と、第１の歯車４１０と噛み合い第２の歯車４２０の歯数とは異なる歯数を有する第３の歯車４３０とを有する。図１８に示すように、第２の歯車４２０は、回転軸４２１、軸受け４２２を介してハウジング１３０に回転可能に支持されており、第３の歯車４３０は、回転軸４３１、軸受け４３２を介してハウジング１３０に回転可能に支持されている。
【００５３】
また、回転角度検出装置３は、第２の歯車４２０の回転角度を検出する第２の回転角度センサ５２０（図１７参照）を有している。第２の回転角度センサ５２０は、第２の歯車４２０の回転半径方向の外側に配置されており、第２の歯車４２０の歯又は回転軸４２１の周方向に複数形成された角度マークに基づいて第２の歯車４２０の回転角度を検出する。
また、回転角度検出装置３は、第３の歯車４３０の回転角度を検出する第３の回転角度センサ５３０（図１７参照）を有している。第３の回転角度センサ５３０は、第３の歯車４３０の回転半径方向の外側に配置されており、第３の歯車４３０の歯又は回転軸４３１の周方向に複数形成された角度マークに基づいて第３の歯車４３０の回転角度を検出する。
【００５４】
このように構成された回転角度検出装置３においては、第１の歯車４１０の歯数と第２の歯車４２０の歯数との関係、第１の歯車４１０の歯数と第３の歯車４３０の歯数との関係を考慮すると共に、第２の歯車４２０の歯数と第３の歯車４３０の歯数とが異なる点を考慮すると、図１９に示すような、第２の磁石２０の回転角度と、第２，３の歯車４２０，４３０の回転角度との関係を示す図を得ることができる。また、第１の磁石１０の極数と第２の磁石２０の極数との関係から、第２の磁石２０の回転角度から回転軸１１０（ステアリングホイール）の回転角度を算出することが可能となる。したがって、第２，３の歯車４２０，４３０の回転角度を検出することで第２の磁石２０の回転角度を検出し、その検出結果に基づいて回転軸１１０の回転角度を把握することが可能となる。
【００５５】
そこで、上記事項を基に、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０での検出値と、第２の磁石２０の回転角度と、回転軸１１０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の回転角度センサ５２０，５３０による第２，３の歯車４２０，４３０の回転角度の出力値と、回転角度テーブルとに基づいて、回転軸１１０の回転角度を演算できるようにしておく。
【００５６】
上述のように構成された回転角度検出装置３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、これに伴って回転軸１１０が回転し、第１の磁石１０が回転する。そして、第１の磁石１０が回転するのに伴って第２の磁石２０が第１の磁石１０に吸引され、磁石支持部材４０が、第１の磁石１０の回転方向とは反対の方向に回転する。つまりは、第１の磁石１０の回転に連動して、磁石支持部材４０に支持されている第２の磁石２０および第１の歯車４１０も回転する。そして、第２，３の歯車４２０，４３０が回転し、これらの回転角度を、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０が検出する。
そして、演算手段が、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０の出力値と回転角度テーブルとに基づいて演算することにより、回転角度検出装置１は、回転軸１１０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。
【００５７】
このように、本実施形態に係る回転角度検出装置３においては、回転角度の検出対象である回転軸１１０の回転駆動力が、非接触で、第２の磁石２０、第１，第２，３の歯車４１０，４２０，４３０、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０などから構成される検出側のユニットに伝達される。そして、第２，３の歯車４２０，４３０の回転角度を第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０にて検出し、その検出結果を基に回転軸１１０の回転角度を検出する。それゆえ、検出側のユニットと回転角度検出の対象となる回転軸１１０側とをギヤ結合する装置よりは、耐久性を向上させることができるとともに静寂な装置にすることができる。
【００５８】
また、本実施形態に係る回転角度検出装置３は、検出側のユニットと回転軸１１０側とは非接触であるため、検出側のユニットを本体フレームに容易に組み込むことが可能となるのは第１の実施形態と同様である。また、密閉された空間に配置された回転軸１１０の回転角度を、その空間の外側に検出側のユニットを配置しても検出することが可能となるのは第１の実施形態と同様である。
【００５９】
また、第２の磁石２０の極数を、第１の磁石１０の極数のＮ倍にすることで、第２の磁石２０の１回転分の回転角度の検出で回転軸１１０（ステアリングホイール）のＮ回転分の回転角度の検出が可能となるのも第１の実施形態と同様である。
【００６０】
なお、図１９においては、第２の磁石２０の回転角度が１４４０度（＝３６０度×４）分の第２，３の歯車４２０，４３０の回転角度を示している。かかる場合、第２の磁石２０の回転角度が７２０度であるときを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）の第２の磁石２０の回転角度の検出が可能となる。
【００６１】
また、本実施形態に係る第２，第３の歯車４２０，４３０の歯数は異ならせており、両歯数の関係を、図１９に示すように、第２の磁石２０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４２０及び第３の歯車４３０の回転角度を把握することにより一義的に第２の磁石２０の回転角度を把握することを実現している。
【００６２】
そして、第２，第３の歯車４２０，４３０の歯数として、第２の磁石２０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、第２の磁石２０の「Ｎ／３６０」回転分の回転角度を把握することが可能となる。
【００６３】
なお、第３の実施形態においては、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０を用いて第２，第３の歯車４２０，４３０の回転角度を検出しているが、第２，第３の歯車４２０，４３０の回転角度を検出する手法としてはかかる態様に限定されない。例えば、第２，第３の歯車４２０，４３０を支持する回転軸４２１，４３１に、それぞれ第１の実施形態の第３の磁石３０のような磁石を装着する。そして、第１の実施形態の第３の磁石３０に対する磁気検出素子５０と同様に、それぞれの磁石に対向するように、図８に示すエレメント構成のＭＲセンサあるいは図１３に示すエレメント構成のＭＲセンサを配置する。かかる構成でも、第２，第３の歯車４２０，４３０の回転角度を検出することができるので、その値を基に回転軸１１０の回転角度を検出することが可能となる。
【００６４】
また、第３の実施形態においては、ともに第１の歯車４１０に噛み合わせた第２の歯車４２０及び第３の歯車４３０の回転角度を検出することにより回転軸１１０の回転角度を検出しているが、第２の磁石２０の回転に起因して回転すれば、全ての歯車が第１の歯車４１０に噛み合っていなくてもよい。
例えば、第３の歯車４３０を、第１の歯車４１０に噛み合わせるのではなく、第２の歯車４２０に噛み合わせてもよい。あるいは、第３の歯車４３０を、第２の歯車４２０から回転駆動力を得る第４の歯車（不図示）に噛み合わせてもよい。かかる場合においても、第２，第３の回転角度センサ５２０，５３０を用いて第２，第３の歯車４２０，４３０の回転角度を検出することで回転軸１１０の回転角度を検出可能であるとともに、センサにて直接的に検知する歯車の歯数及びレイアウトの選択の自由度が増す。また、例えば上述した第４の歯車の回転角度を検出する第４の回転角度センサをも備え、第２，第３の歯車４２０，４３０に加えて第４の歯車の回転角度を加味して第２の磁石２０の回転角度を検出することでより広範囲の角度を検出することが可能となる。
【００６５】
なお、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、回転軸１１０に固定された部材を介して回転軸１１０に固定されていてもよい。同様に、第２の磁石２０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、磁石支持部材４０（４００）に固定された部材を介して磁石支持部材４０（４００）に固定されていてもよい。
【００６６】
なお、上述した第１〜第３の実施形態に係る回転角度検出装置１〜３において、第１の磁石１０の回転と第２の磁石２０の回転の位相がずれて、非同期となることを抑制する非同期回転抑制手段の一例としてのスリップ防止機構２００（図２０参照）を備えることが好適である。なお、第１の磁石１０のＮ極に第２の磁石２０のＳ極が吸引されて、および／または第１の磁石１０のＳ極に第２の磁石２０のＮ極が吸引されて第２の磁石２０が回転し、両磁石の回転速度が両磁石の極数に反比例する場合に、両磁石の回転は同期しているという。
【００６７】
図２０は、スリップ防止機構２００の概略構成図である。
スリップ防止機構２００は、回転軸１１０に設けられた第１の非同期抑制歯車２０１と、磁石支持部材４０に設けられた第２の非同期抑制歯車２０２とを有している。
図２１は、第１の非同期抑制歯車２０１に形成された歯と第２の非同期抑制歯車２０２に形成された歯との配置関係を説明する模式図である。
【００６８】
第１の非同期抑制歯車２０１と第２の非同期抑制歯車２０２は、共に極数と同数の歯を有している。そして、図２１に示すように、第１の非同期抑制歯車２０１は、図２０の時計回転方向に見た場合に、Ｎ極とＳ極との間に歯が形成されており、第２の非同期抑制歯車２０２は、図２０の反時計回転方向に見た場合に、Ｎ極とＳ極との間に歯が形成されている。それゆえ、第１の磁石１０と第２の磁石２０とが静止しており、第１の磁石１０のＮ極と第２の磁石２０のＳ極が、および第１の磁石１０のＳ極と第２の磁石２０のＮ極が吸引している場合に、第１の非同期抑制歯車２０１または第２の非同期抑制歯車２０２の一方の歯車の歯が対向する他方の歯車の歯の間に位置する。
【００６９】
また、第１の非同期抑制歯車２０１および第２の非同期抑制歯車２０２の歯の大きさは、第１の磁石１０と第２の磁石２０とが同期して回転する場合には、両歯車の歯は干渉しない大きさに形成されている。他方、第１の磁石１０の回転に第２の磁石２０の回転が追従できずに両磁石の回転が非同期となりそうな場合には、第１の非同期抑制歯車２０１又は第２の非同期抑制歯車２０２の一方の歯車が他方の歯車の歯に突き当たる大きさに形成されている。
【００７０】
このように構成されたスリップ防止機構２００は、以下のように機能する。
例えば、ドライバによりステアリングホイールが急に回転させられた場合や、車両が縁石に乗り上げた場合など、第１の磁石１０の回転速度が急上昇して第２の磁石２０が第１の磁石１０の回転に追従できない場合においても、第１の非同期抑制歯車２０１の歯が第２の非同期抑制歯車２０２の歯に突き当たるので、両歯車により第１の磁石１０の回転力が第２の磁石２０の回転力として伝達される。これにより、第１の磁石１０の回転と第２の磁石２０の回転とが非同期となることが抑制される。それゆえ、回転角度検出装置１〜３による検出精度が向上する。
【００７１】
なお、図２０に示したスリップ防止機構２００においては、第１の非同期抑制歯車２０１と第１の磁石１０、および第２の非同期抑制歯車２０２と第２の磁石２０とが別々の物体として構成されているが、抑制歯車と磁石とが一体的に形成されていてもよい。
また、第１の非同期抑制歯車２０１および第２の非同期抑制歯車２０２の材質は、磁性材料でも非磁性材料でもよいが、第１の非同期抑制歯車２０１の歯と第２の非同期抑制歯車２０２の歯が衝突したとしても破損しないように、想定される両歯車の衝突エネルギー量に応じて選定することが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】第１の実施形態に係る回転角度検出装置の斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る回転角度検出装置の軸方向の部分断面図である。
【図３】磁石支持部材と第３の磁石との装着態様の他の例を示す図である。
【図４】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５】図４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６】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７】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８】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９】図８に示すＭＲセンサの構成を等価回路で示した図である。
【図１０】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１１】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１２】ＭＲセンサの他の例を示す図である。
【図１３】磁石の運動方向を検出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１４】ＭＲセンサの配置の例を示す図である。
【図１５】ＭＲセンサの他の例を示す図である。
【図１６】第２の実施形態に係る回転角度検出装置の斜視図である。
【図１７】第３の実施形態に係る回転角度検出装置の上面図である。
【図１８】図１７のＡ−Ａ部における断面図である。
【図１９】第２の磁石の回転角度と、第２，３の歯車の回転角度との関係を示す図である。
【図２０】スリップ防止機構の概略構成図である。
【図２１】第１の非同期抑制歯車に形成された歯と第２の非同期抑制歯車に形成された歯との配置関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００７３】
１，２，３…回転角度検出装置、１０…第１の磁石、２０…第２の磁石、３０…第３の磁石、４０…磁石支持部材、５０…磁気検出素子、１１０…回転軸、２００…スリップ防止機構、４１０…第１の歯車、４２０…第２の歯車、４３０…第３の歯車、５２０…第２の回転角度センサ、５３０…第３の回転角度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に支持される回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記回転軸に設けられる第１の磁石と、
前記第１の磁石と所定のクリアランスを介して配置され、当該第１の磁石との間に生じる磁力により当該第１の磁石の回転に連動して回転する第２の磁石と、
前記第２の磁石の回転角度を検出し、その検出結果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、
を備えることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
前記第１の磁石及び前記第２の磁石は外周面に周方向に交互に配置されたＮ極とＳ極とを有し、当該第１の磁石の外周面と当該第２の磁石の外周面とが対向して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
【請求項３】
前記第２の磁石を支持し回転可能に支持される磁石支持部材をさらに備え、
前記回転角度検出手段は、前記磁石支持部材の回転中心軸方向の一方の端部に支持された第３の磁石と、当該第３の磁石から発生される磁界に基づいて当該第３の磁石の回転角度を検知するセンサとを有し、当該センサの検知結果に基づいて前記第２の磁石の回転角度を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転角度検出装置。
【請求項４】
前記センサは、前記第３の磁石に対向して配置され、当該第３の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項３に記載の回転角度検出装置。
【請求項５】
前記回転角度検出手段は、前記第２の磁石の外周面の外側に配置され、当該第２の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転角度検出装置。
【請求項６】
前記第２の磁石を支持し回転可能に支持される磁石支持部材と、当該磁石支持部材に設けられる第１の歯車と、をさらに備え、
前記回転角度検出手段は、前記第１の歯車により前記磁石支持部材の回転力が伝達される複数の歯車と、当該複数の歯車のそれぞれの回転角度を検知する複数のセンサと、を有し、当該複数のセンサの検知結果に基づいて前記第２の磁石の回転角度を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転角度検出装置。
【請求項７】
前記センサは、検知対象となる歯車の歯又は当該歯車を支持して回転する回転部材に形成されたマークに基づいて、当該歯車の回転角度を検知することを特徴とする請求項６に記載の回転角度検出装置。
【請求項８】
前記第１の磁石の回転と前記第２の磁石の回転とが非同期となることを抑制する非同期回転抑制手段をさらに有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
【請求項９】
ステアリングホイールに連結される回転軸と、
前記回転軸に設けられる第１の磁石と、
前記第１の磁石と所定のクリアランスを介して配置され、当該第１の磁石との間に生じる磁力により当該第１の磁石の回転に連動して回転する第２の磁石と、
前記第２の磁石の回転角度を検出し、その検出結果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、
を備えることを特徴とするステアリング装置。
【請求項１】
回転可能に支持される回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記回転軸に設けられる第１の磁石と、
前記第１の磁石と所定のクリアランスを介して配置され、当該第１の磁石との間に生じる磁力により当該第１の磁石の回転に連動して回転する第２の磁石と、
前記第２の磁石の回転角度を検出し、その検出結果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、
を備えることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
前記第１の磁石及び前記第２の磁石は外周面に周方向に交互に配置されたＮ極とＳ極とを有し、当該第１の磁石の外周面と当該第２の磁石の外周面とが対向して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
【請求項３】
前記第２の磁石を支持し回転可能に支持される磁石支持部材をさらに備え、
前記回転角度検出手段は、前記磁石支持部材の回転中心軸方向の一方の端部に支持された第３の磁石と、当該第３の磁石から発生される磁界に基づいて当該第３の磁石の回転角度を検知するセンサとを有し、当該センサの検知結果に基づいて前記第２の磁石の回転角度を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転角度検出装置。
【請求項４】
前記センサは、前記第３の磁石に対向して配置され、当該第３の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項３に記載の回転角度検出装置。
【請求項５】
前記回転角度検出手段は、前記第２の磁石の外周面の外側に配置され、当該第２の磁石から発生される磁界の方向に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転角度検出装置。
【請求項６】
前記第２の磁石を支持し回転可能に支持される磁石支持部材と、当該磁石支持部材に設けられる第１の歯車と、をさらに備え、
前記回転角度検出手段は、前記第１の歯車により前記磁石支持部材の回転力が伝達される複数の歯車と、当該複数の歯車のそれぞれの回転角度を検知する複数のセンサと、を有し、当該複数のセンサの検知結果に基づいて前記第２の磁石の回転角度を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転角度検出装置。
【請求項７】
前記センサは、検知対象となる歯車の歯又は当該歯車を支持して回転する回転部材に形成されたマークに基づいて、当該歯車の回転角度を検知することを特徴とする請求項６に記載の回転角度検出装置。
【請求項８】
前記第１の磁石の回転と前記第２の磁石の回転とが非同期となることを抑制する非同期回転抑制手段をさらに有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
【請求項９】
ステアリングホイールに連結される回転軸と、
前記回転軸に設けられる第１の磁石と、
前記第１の磁石と所定のクリアランスを介して配置され、当該第１の磁石との間に生じる磁力により当該第１の磁石の回転に連動して回転する第２の磁石と、
前記第２の磁石の回転角度を検出し、その検出結果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、
を備えることを特徴とするステアリング装置。
【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】
【公開番号】特開２０１０−１８５８２８（Ｐ２０１０−１８５８２８Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３１２６８（Ｐ２００９−３１２６８）
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００１４６０１０）株式会社ショーワ (715)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００１４６０１０）株式会社ショーワ (715)
【Ｆターム（参考）】
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