JP2004061386A - 角度センサ，角度・トルクセンサ及び電動パワーステアリング - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構造で、絶対角度としての舵角を精度良く検出することができる角度センサを提供することを課題とする。また、簡単な構造で、操舵トルクと舵角をそれぞれ精度良く検出することができるセンサ及びこれを備えた電動パワーステアリングを提供することを課題とする。
【解決手段】課題を解決する解決手段の一つは、トルクによりねじれるトーションバー５の入力軸１と出力軸２との相対角度を検出するために設けられた機構による状態量の変化を検出するトルク検出コイル９と、入力軸１或いは出力軸２から伝達され、減速機構により減速された回転で回転する減速軸の回転角度を検出するために設けられた機構による状態量の変化を検出する角度検出コイル１１と、トルク検出コイル９の出力から相対角度を検出してトルクを検出する回路と、角度検出コイル１１の出力から回転角度を検出する回路とを有するセンサを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】課題を解決する解決手段の一つは、トルクによりねじれるトーションバー５の入力軸１と出力軸２との相対角度を検出するために設けられた機構による状態量の変化を検出するトルク検出コイル９と、入力軸１或いは出力軸２から伝達され、減速機構により減速された回転で回転する減速軸の回転角度を検出するために設けられた機構による状態量の変化を検出する角度検出コイル１１と、トルク検出コイル９の出力から相対角度を検出してトルクを検出する回路と、角度検出コイル１１の出力から回転角度を検出する回路とを有するセンサを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸の回転角度を検出する角度センサ、回転軸の回転角度とトルクを検出する角度・トルクセンサ及び電動パワーステアリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
運転者の操舵トルクに応じてモータのトルクを発生し、タイヤの転舵を補助する自動車の電動パワーステアリングに用いられているセンサとしては従来、例えば特開平５−１４９８０５号公報，特開平６−１０２１１３号公報などに記載されたものが知られている。この従来のものは非接触式のセンサであり、トーションバーのねじれをインダクタンスの変化として検出し、これに応じて操舵トルクを検出している。また、電動パワーステアリングに用いられているセンサとしては従来、例えば特開２００１−９１３７５号公報，特開２００１−９１３７７号公報などに記載されているように、トルクセンサと角度センサを一体にしたものも知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電動パワーステアリングでは、モータのトルクを制御するために、操舵トルクを検出するトルクセンサが必要である。しかも、電動パワーステアリングの低コスト化を図るために、安価なトルクセンサが不可欠である。また、電動パワーステアリングでは、電動パワーステアリングが装着されていない一般的な自動車のように、走行中、ハンドルを手放しにした場合、タイヤが自動的に直進方向に向くようにモータを制御する必要がある。このため、電動パワーステアリングにはトルクセンサの他に、直進方向に対するタイヤの角度を検出する角度センサ、いわゆる舵角センサが必要である。
【０００４】
角度センサを設けるにあたっては、電動パワーステアリングの低コスト化，コンパクト化を図ることが望ましい。この点、トルクセンサと角度センサを一体にした前述の特開２００１−９１３７５号公報，特開２００１−９１３７７号公報に記載されたセンサでは、電動パワーステアリングのコンパクト化を図ることができる。しかしながら、現状、従来のセンサよりもさらに、３回転から４回転する操舵軸の絶対角度を精度よく、しかも安価な構成で検出することができるセンサの出現が望まれている。
【０００５】
すなわち前述の特開２００１−９１３７５号公報に記載されたセンサは、入力軸に設けられた磁気波条の磁界の強さを検出する第１及び第２の磁気センサの検出値に基づいて入力軸の回転角度を求め、入力軸に設けられた磁気波条の磁界の強さを検出する第１の磁気センサの検出値に基づいて求められた入力軸の回転角度と、出力軸に設けられた磁気波条の磁界の強さを検出する第３の磁気センサの検出値に基づいて求められた出力軸の回転角度との角度差に応じて入力軸に加わるトルクを求めるものであり、原理的に操舵軸の数分の１回転を１周期として検出する方式のものである。ところが、ハンドルは左右にそれぞれ１回転以上回転するので、角度センサとしては少なくとも７２０°以上の絶対角度を検出する必要がある。しかし、この公報に記載されたセンサは、上述のような検出方式を採用したものであるので、絶対角度とトルクを検出するセンサとしてはさらに検出精度を向上させる必要がある。
【０００６】
また、前述の特開２００１−９１３７７号公報に記載されたセンサは、入力軸と一体回転が可能かつ入力軸の軸方向に摺動が可能であり、極性の異なる磁石が外周壁の周方向に交互に装着された摺動部材を入力軸に嵌装し、摺動部材の軸方向の摺動及び回転に応じた磁石の磁束の変化を第１及び第２の磁気センサで検出し、入力軸に加わるトルク及び回転角度を検出するものである。しかし、この公報に記載されたセンサでは摺動部材の構造が複雑になるので、安価な電動パワーステアリングを提供するためにはさらに構造を簡単化して低コスト化を図る必要がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、簡単な構造で、絶対角度としての舵角を精度良く検出することができる角度センサを提供する。また、本発明は、簡単な構造で、操舵トルクと舵角をそれぞれ精度良く検出することができるセンサ及びこれを備えた電動パワーステアリングを提供する。
【０００８】
本発明の一つは、回転軸から伝達された回転を減速させる減速機構と、減速機構の減速軸の回転角度によりインダクタンスを変化させる可変インダクタンス機構と、インダクタンスの変化を検出する検出コイルと、検出コイルの出力から回転軸の角度を検出する回路とを有するセンサを特徴とする。本発明において、減速軸の回転角度に対する可変インダクタンス機構によるインダクタンスの変化が減速軸の回転角度０近傍で最大であることが、電動パワーステアリングによる舵角の中心を精度良く検出する上で好ましい。
【０００９】
本発明の他のものは、トルクによりねじれるトーションバーの入力軸と出力軸との相対角度を検出するために設けられた機構による状態量の変化を検出するトルク検出コイルと、入力軸或いは出力軸から伝達され、減速機構により減速された回転で回転する減速軸の回転角度を検出するために設けられた機構による状態量の変化を検出する角度検出コイルと、トルク検出コイルの出力から相対角度を検出してトルクを検出する回路と、角度検出コイルの出力から回転角度を検出する回路とを有するセンサを特徴とする。本発明において、トルク検出コイルの出力及び角度検出コイルの出力或いはそれらのうちの一方の出力を補償する補償手段を有することが、安定した検出結果を得る上で好ましい。補償手段は、例えばトルク検出コイルの出力及び角度検出コイルの出力或いはそれらのうちの一方の出力を補償する補償信号を得るために設けられた機構によって決まる状態量を検出する補償コイルと、補償コイルの出力から補償信号を生成して出力する補償回路とを備えて構成されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施例を図１乃至図４に基づいて説明する。図４は本実施例の電動パワーステアリング装置の構成を示す。電動パワーステアリング装置は、運転者の操舵トルクに応じてモータのトルクを発生し、タイヤの転舵を補助するものであり、自動車などの走行車に搭載されている。運転者からの操舵トルクが伝達されるステアリングホイール１６には入力軸１の一端側が連結されている。入力軸１の他端側は、図示省略されたトーションバーを介して出力軸２の一端側に連結されている。出力軸２の他端側はステアリングギア機構７０を介してロッド７１に連結されている。ロッド７１の両端にはタイヤ１９ａ，１９ｂが転舵可能に連結されている。入力軸１及び出力軸２は、運転者からステアリングホイール１６に伝達された操舵トルクによって回転する。尚、入力軸１及び出力軸２を合わせてステアリングシャフト（操舵軸）という。ステアリングシャフトの回転運動はステアリングギア機構７０によって左右の直線運動に変換され、ロッド７１に伝達される。これにより、走行車の直進方向に対してタイヤ１９ａ，１９ｂの向きを左右に変える（転舵する）ことができる。
【００１１】
ここで、タイヤ１９ａ，１９ｂの回転軸の軸線の延びる方向における外周面幅の中央を中心として中心線を引いた場合、その中心線が走行車の直進方向に対して向く方向を転舵方向という。中心線と回転軸の軸線との交点を軸として走行車の直進方向に対して転舵方向がなす角度を舵角という。タイヤ１９ａ，１９ｂの転舵方向が走行車の直進方向と同方向（舵角が０）にある場合、ここを舵角の基準としてこれを舵角中心という。タイヤ１９ａ，１９ｂの転舵方向が舵角中心にある時のステアリングホイール１６の位置を基準位置とし、その基準位置に対してステアリングホイール１６の位置が時計の回転方向にずれる（ステアリングホイール１６が時計の回転方向に回転する）場合を正方向、ステアリングホイール１６の位置が時計の回転方向とは逆方向にずれる（ステアリングホイール１６が時計の回転方向とは逆方向に回転する）場合を負方向とそれぞれいう。運転者がステアリングホイール１６を操舵する場合、ステアリングホイール１６が正方向に操舵（回転）された時にステアリングホイール１６に加わる操舵トルクを正操舵トルク，ステアリングホイール１６が負方向に操舵（回転）された時にステアリングホイール１６に加わる操舵トルクを負操舵トルクとそれぞれいう。尚、ステアリングホイール１６が基準位置にある時、ステアリングホイール１６に加わる操舵トルクは０である。ステアリングシャフトの軸線の延びる方向と同じ方向を操舵軸方向という。
【００１２】
入力軸１と出力軸２との間には、運転者からステアリングホイール１６を介してステアリングシャフトに伝達された操舵トルク及びタイヤ１９ａ，１９ｂの舵角を検出する角度・トルクセンサ３（ステアリング用センサともいう）が設けられている。出力軸２には、モータ１８の回転トルクをアシストトルクとして出力軸２に伝達できるように、モータ１８の回転軸が連結されている。角度・トルクセンサ３とモータ１８との間には、角度・トルクセンサ３の出力（検出結果）に基づいてモータ１８の駆動を制御するコントローラ１７が電気的に接続されている。コントローラ１７は、角度・トルクセンサ３によって検出された操舵トルクに基づいてモータ１８が発生すべきアシストトルクを算出し、この算出結果に基づいてモータ１８の発生トルクを制御する。このように、電動パワーステアリング装置では、モータ１８の駆動を制御し、モータ１８で発生したアシストトルクを出力軸２に付加するので、運転者は小さい操舵トルクでタイヤ１９ａ，１９ｂの転舵方向を変えることができる。
【００１３】
また、コントローラ１７は、角度・トルクセンサ３によって検出された舵角のフィードバックを受けて、この舵角に基づいてモータ１８の駆動を制御する。このように、電動パワーステアリング装置では、モータ１８の駆動を制御し、モータ１８で発生した駆動力を出力軸２に付加するので、走行車の走行中に運転者がステアリングホイール１６を手放した時、電動パワーステアリング装置が搭載されていない走行車と同じように、タイヤ１９ａ，１９ｂの転舵方向を舵角中心に戻す、すなわち舵角を０とすることができる。
【００１４】
本実施例によれば、角度センサ及びトルクセンサが一体になった角度・トルクセンサ３をステアリングシャフトに設け、操舵トルク及び舵角を検出しているので、コントローラ１７及びモータ１８をコンパクトにまとめることができ、電動パワーステアリング装置のコンパクト化を図ることができる。さらに、本実施例では、角度・トルクセンサ３，コントローラ１７及びモータ１８を完全に一体化することもでき、電動パワーステアリング装置のさらなるコンパクト化を図ることもできる。
【００１５】
図１，図２は本実施例の角度・トルクセンサの構成を示す。本実施例の角度・トルクセンサ３は、ステアリングシャフトの回転に伴うインダクタンスの変化を利した非接触式のステアリング用センサであり、インダクタンスの変化を検出してトーションバーのねじれ角を検出し、操舵トルクを検出するトルクセンサと、インダクタンスの変化を検出して舵角を検出する角度センサとが一体化になったコンパクトなものである。
【００１６】
入力軸１と出力軸２との間にはトーションバー５が接続されている。トーションバー５は操舵トルクに応じてねじれる。トーションバー５の入力軸１側には入力軸検出リング６が配置されている。入力軸検出リング６は入力軸１と一体になって回転する。トーションバー５の出力軸２側には出力軸検出リング４が配置されている。出力軸検出リング４は出力軸２と一体になって回転する。入力軸検出リング６及び出力軸検出リング４は短円柱（径に比べて長さが短い円柱）状の磁性部材から形成されたものであり、ステアリングシャフト上に対向配置されている。
【００１７】
入力軸検出リング６の外周部の出力軸検出リング４側端部には、出力軸検出リング４との対向方向（操舵軸方向）に突出した円弧状の凸部６ａと、出力軸検出リング４との対向方向とは逆方向に窪んだ円弧状の凹部６ｂとが周方向に交互に複数形成されて歯部が形成されている。出力軸検出リング４の外周部の入力軸検出リング６側端部には、入力軸検出リング６との対向方向（操舵軸方向）に突出した円弧状の凸部６ａと、入力軸検出リング６の対向方向とは逆方向に窪んだ円弧状の凹部６ｂとが周方向に交互に複数形成されて歯部が形成されている。入力軸検出リング６の凸部６ａ（凹部６ｂ）及び出力軸検出リング４の凸部４ａ（凹部４ｂ）の数，大きさ及び周方向の配置ピッチ（凸部（凹部）の中心軸から次の凸部（凹部）の中心軸までの距離）は等しい。
【００１８】
入力軸検出リング６及び出力軸検出リング４の外方でかつ入力軸検出リング６の歯部の外周面と出力軸検出リング４の歯部の外周面との両方と対向する部位には、車体に固定されたトルク検出コイル９が近接配置されている。トルク検出コイル９の外周部（入力軸検出リング６の歯部の外周面及び出力軸検出リング４の歯部と対向する内周面を除く部分）は磁性部材１５によって覆われている。磁性部材１５は、入力軸検出リング６及び出力軸検出リング４と共に、トルク検出コイル９に生じる磁束が通る磁気回路を構成している。
【００１９】
運転者がステアリングホイール１６を操舵し、運転者の操舵トルクがステアリングホイール１６を介して入力軸１に伝達され、入力軸１が回転するとトーションバー５はねじれる。トーションバー５のねじれにより、入力軸検出リング６の歯部と、それに対向する出力軸検出リング４の歯部との周方向の相対的な位置関係がずれる。これにより、入力軸検出リング６の歯部の凸部６ａと出力軸検出リング４の歯部の凸部４ａとの対面する面積が変化し、トルク検出コイル９の外周部に配置された磁性部材１５，入力軸検出リング６及び出力軸検出リング４によって構成される磁気回路の磁気結合の度合いが変化し、トルク検出コイル９のインダクタンスが変化する。従って、トルク検出コイル９に高周波電圧を印加してトルク検出コイル９に生じる電圧を検出する、すなわちインダクタンスの変化を検出することにより、入力軸検出リング６と出力軸検出リング４との周方向の相対的な位置関係のずれ（相対角度）を検出することができ、入力軸１に加わる操舵トルクを検出することができる。
【００２０】
尚、本実施例の角度・トルクセンサ３では、操舵トルクが０の時、入力軸検出リング６の歯部の凸部６ａと出力軸検出リング４の歯部の凸部４ａが互に１／２の面積で対向するように、入力軸検出リング６と出力軸検出リング４との相対的な周方向の位置関係を設定している。従って、本実施例の角度・トルクセンサ３では、インダクタンスの最大変化とインダンクタンスの最小変化のほぼ中間にあたるインダクタンスの変化を検出することができる。
【００２１】
入力軸検出リング６の出力軸検出リング４側とは反対側には補償リング７が配置されている。補償リング７は中空短円柱状の磁性部材によって形成されたものであり、入力軸１上において入力軸検出リング６と対向している。また、補償リング７は入力軸１とは分離されて固定され、回転することがないように、入力軸１上に配置されている。すなわち補償リング７は、その中心部に設けられた中空部の内周面と入力軸１の外周面との間に所定の間隙を介して入力軸１がその中空部を貫通し、しかも補償リング７と入力軸１が同心状をなすように、入力軸１上に配置されている。
【００２２】
補償リング７の外周部の入力軸検出リング６側端部には、入力軸検出リング６との対向方向（操舵軸方向）に突出した円弧状の凸部７ａと、入力軸検出リング６の対向方向とは逆方向に窪んだ円弧状の凹部７ｂとが周方向に交互に複数形成されて歯部が形成されている。補償リング７の凸部７ａ（凹部７ｂ）の数，大きさ及び周方向の配置ピッチ（凸部（凹部）の中心軸から次の凸部（凹部）の中心軸までの距離）は、入力軸検出リング６の凸部６ａ（凹部６ｂ）の数，大きさ及び周方向の配置ピッチと等しい。
【００２３】
補償リング７及び入力軸検出リング６の外方でかつ補償リング７の歯部の外周面と入力軸検出リング６の補償リング７側端部の外周面との両方と対向する部位には、車体に固定された補償コイル１０が近接配置されている。補償コイル１０は、入力軸１と一体になって回転する入力軸検出リング６と固定された補償リング７で決定されるインダクタンスを検出するものである。トルク検出コイル９がインダクタンスの変化を検出する際、温度によりその出力値が変化する場合がある。従って、補償コイル１０の出力によってトルク検出コイル９の出力値を補償する必要がある。補償コイル１０の外周部（補償リング７の歯部の外周面及び入力軸検出リング６の補償リング７側端部の外周面と対向する内周面を除く部分）は磁性部材１５によって覆われている。磁性部材１５は、補償リング７及び入力軸検出リング６と共に、補償リング７に生じる磁束が通る磁気回路を構成している。
【００２４】
運転者がステアリングホイール１６を操舵し、運転者の操舵トルクがステアリングホイール１６を介して入力軸１に伝達され、入力軸１が回転すると、入力軸検出リング６と補償リング７との周方向の相対的な位置関係がずれる。前述したように、補償リング７は固定され（回転せず）、入力軸検出リング６の補償リング７側端部には歯部が形成されていないので、補償コイル１０の外周部に配置された磁性部材１５，入力軸検出リング６及び補償リング７によって構成される磁気回路の磁気結合の度合いが一定である。このため、補償コイル１０のインダクタンスは、入力軸検出リング６と補償リング７との周方向の相対的な位置関係のずれでは変化せず、温度等の外部条件だけで変化する。従って、補償コイル１０に高周波電圧を印加して補償コイル１０に生じる電圧を検出する、すなわち温度等の外部条件だけで変化するインダクタンス検出し、トルク検出コイル９の出力値との差分をとることにより、温度等の外部条件により変化するトルク検出コイル９の出力値を補償することができる。
【００２５】
本実施例によれば、補償リング７と補償コイル１０とを有する補償手段を備えているので、周囲温度が変化した場合、トルク検出コイル９におけるコイル抵抗の変化や出力特性の変化の影響を補償することができる。従って、本実施例によれば、簡単な構造で、高精度のトルク検出を行うことができる。また、インダクタンスの変化は、入力軸検出リング６の歯部の凸部６ａと出力軸検出リング４の歯部の凸部４ａとの対向面積の総和で決定されるので、入力軸検出リング６の歯部及び出力軸検出リング４の歯部の加工精度がインダクタンスに影響する割合を低減することができる。従って、本実施例によれば、簡単な構造で、安定したトルクセンサ性能を得ることができる。
【００２６】
補償リング７の入力軸検出リング６側とは反対側には角度検出リング８が配置されている。補償リング７及び角度検出リング８は入力軸１上において対向している。角度検出リング８は、入力軸１上に固定されたサンギア１２と、サンギア１２の外周に複数個配置されてそれぞれサンギア１２と噛み合うプラネタリーギア１３と、複数個のプラネタリーギア１３を取り巻くように配置されて複数個のプラネタリーギア１３のそれぞれと噛み合うリングギア１４から構成された遊星歯車機構であり、入力軸１の回転を減速してリングギア１４（減速軸）に伝達する構成になっている。リングギア１４は磁性部材によって形成されている。減速機構として遊星歯車機構を採用した本実施例によれば、入力軸１の回転をコンパクトな構成で減速することができる。
【００２７】
角度検出リング８の外周部（リングギア１４に相当する）の補償リング７側端部には、補償リング７との対向方向（操舵軸方向）に突出した円弧状の凸部８ａと、補償リング７の対向方向とは逆方向に窪んだ円弧状の凹部８ｂとが周方向に形成されて歯部が形成されている。補償リング７の外周部の角度検出リング８側端部には、角度検出リング８との対向方向（操舵軸方向）に突出した円弧状の凸部７ｃと、角度検出リング８の対向方向とは逆方向に窪んだ円弧状の凹部７ｄとが周方向に形成されて歯部が形成されている。凸部８ａ及び凹部８ｂは角度検出リング８の円周上に１／２ずつ、凸部７ｃ及び凹部７ｄは補償リング７の円周上に１／２ずつそれぞれ形成されている。角度検出リング８の凸部８ａ（凹部８ｂ）及び補償リング７の凸部７ａ（凹部７ｂ）の大きさは等しい。
【００２８】
補償リング７及び角度検出リング８の外方でかつ補償リング７の角度検出リング８側歯部の外周面と角度検出リング８の歯部の外周面との両方と対向する部位には、車体に固定された角度検出コイル１１が近接配置されている。角度検出コイル１１の外周部（補償リング７の角度検出リング８側歯部の外周面及び角度検出リング８の外周面と対向する内周面を除く部分）は磁性部材１５によって覆われている。磁性部材１５は、角度検出リング８（リングギア１４）及び補償リング７と共に、角度検出コイル１１に生じる磁束が通る磁気回路を構成している。
【００２９】
ステアリングホイール１６は基準位置から正方向及び負方向にそれぞれ２回転する。すなわち絶対角度で１４４０°回転する。このため、本実施例では、遊星歯車機構により入力軸１の回転を減速比１／８で減速し、角度検出リング８（リングギア１４）を最大１８０°で回転させ、この回転によるインダクタンスの変化を角度検出コイル１１で検出し、角度検出コイル１１の出力値から舵角を検出している。尚、本実施例では、減速比１／８とした場合について説明したが、これに限定されることはなく、１／４から１／１０までのいずれかを選択すればよい。
【００３０】
運転者がステアリングホイール１６を操舵し、運転者の操舵トルクがステアリングホイール１６を介して入力軸１に伝達され、入力軸１が回転する。入力軸１の回転はサンギア１２に伝達され、プラネタリーギア１３を介して減速されてリングギア１４に伝達される。これにより、補償リング７の歯部と、それに対向する角度検出リング８の歯部との周方向の相対的な位置関係がずれ、補償リング７の歯部の凸部７ｃと角度検出リング８の歯部の凸部８ａとの対面する面積が変化し、角度検出コイル１１の外周部に配置された磁性部材１５，補償リング７及び角度検出リング８によって構成される磁気回路の磁気結合の度合いが変化し、角度検出コイル１１のインダクタンスが変化する。従って、角度検出コイル１１に高周波電圧を印加して角度検出コイル１１に生じる電圧を検出する、すなわちインダクタンスの変化を検出することにより、補償リング７と角度検出リング１１との周方向の相対的な位置関係のずれ（相対角度）を検出することができ、入力軸１の回転角度、すなわち舵角を検出することができる。
【００３１】
ステアリングホイール１６の正方向で舵角が最大値になる時、補償リング７の歯部の凸部７ｃと角度検出リング８の歯部の凸部８ａとの対面する面積は最大になる。ステアリングホイール１６の負方向で舵角が最大値になる時、補償リング７の歯部の凸部７ｃと角度検出リング８の歯部の凸部８ａとの対面する面積が最小になる。舵角０の時、補償リング７の歯部の凸部７ｃと角度検出リング８の歯部の凸部８ａとの対面する面積は最大面積と最小面積の平均値になる。本実施例では、この平均値となった場合に舵角０としている。
【００３２】
入力軸検出リング６，出力軸検出リング４，補償リング７及び角度検出リング８はいずれも同じ外径を有しており、ステアリングシャフトを同軸としてその同軸上に並設されている。トルク検出コイル９，補償コイル１０，角度検出コイル１１はいずれもリング状に形成されたものであり、入力軸検出リング６，出力軸検出リング４，補償リング７及び角度検出リング８の並列体を同軸としてその同軸上に一体に配置されている。尚、本実施例では、各コイルの構成が判り易いように半リング状で図示している。
【００３３】
図３は、本実施例の角度・トルクセンサにおける操舵トルク及び舵角の検出回路を示す。発振器２０は、インダクタンスを検出するための高周波信号を発生する。トルク検出コイル９，補償コイル１０，角度検出コイル１１のインダクタンスをそれぞれインダクタンス２１，２２，２３に示す。トルク検出コイル９と補償コイル１０の出力（電圧）が差動増幅器２４に入力されると、差動増幅器２４の出力はそれらの差分によって変化する。操舵トルクが０の時は差動増幅器２４の出力は０となる。ステアリングホイール１６の正方向で操舵トルクが最大値の時及びステアリングホイール１６の負方向で操舵トルクが最大値の時、差動増幅器２４の出力はそのトルク範囲内でそれぞれ最大値になる。すなわち温度等の外部条件の影響を除去することができる構成になっている。差動増幅器２４の出力信号は出力増幅器２５で増幅され、操舵トルク信号τとしてコントローラ１７に出力される。
【００３４】
上述のように、舵角０の時、角度検出コイル１１によって検出されるインダクタンスの変化はインダクタンスの変化の最大値と最小値の平均値になる。本実施例では、角度検出コイル１１によって検出されるインダクタンスの変化と、補償コイル１０によって検出されるインダクタンスを一致させている。このため、舵角０の時、角度検出コイル１１の出力と補償コイル１０の出力との差分により差動増幅器２６の出力は０となる。舵角＋７２０°の時、角度検出コイル１１のインダクタンスの変化は最大値になり、差動増幅器２６の出力も最大値になる。舵角−７２０°の時、角度検出コイル１１のインダクタンスは最小値になり、差動増幅器２６の出力も最小値になる。差動増幅器２６の出力信号は出力増幅器２７で増幅され、舵角信号θとしてコントローラ１７に出力される。
【００３５】
以上説明した本実施例によれば、温度等の外部状態の変化を補償する１つの補償コイル１０を２つのセンサ、すなわちトルクセンサと角度センサの補償に利用することができるので、安価で高性能の角度・トルクセンサ３を提供することができる。また、本実施例によれば、トルクセンサと同様に、インダクタンスの変化による検出原理を用いて、角度センサを構成したので、同一形状の検出コイルを利用することができ、同軸上にトルクセンサと角度センサをコンパクトに配置することができる。さらに、本実施例によれば、角度センサに遊星歯車機構を内蔵しているので、絶対角度１４４０°の回転角度範囲を検出することができ、高精度で幅広い範囲の舵角を検出することができる角度・トルクセンサ３を提供することができる。
【００３６】
本発明の第２実施例を図５，図６に基づいて説明する。本実施例はインダクタンスの変化方法が第１実施例と異なる。本実施例では、磁性体で形成された歯車状のトルク検出リング３１と、磁性体で形成された歯車状の補償リング３２が一体になり、入力軸１と共に一体で回転する。
【００３７】
トルク検出リング３１の外周面には、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凸部３１ａと、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凹部３１ｂとが周方向に交互に複数形成されて歯部が形成されている。補償リング３２の外周面には、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凸部３２ａと、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凹部３２ｂとが周方向に交互に複数形成されて歯部が形成されている。トルク検出リング３１の凸部３１ａ（凹部３１ｂ）及び補償リング３２の凸部３２ａ（凹部３２ｂ）の数は等しいが、大きさ及び周方向の配置ピッチ（凸部（凹部）の中心軸から次の凸部（凹部）の中心軸までの距離）は異なっている。本実施例では、補償リング３２の凸部３２ａの周方向の長さがトルク検出リング３１の凸部３１ａの周方向の長さより１／２短い。補償リング３２の凹部３２ｂの周方向の長さは、その凸部３２ａの周方向の長さがトルク検出リング３１の凸部３１ａの周方向の長さより１／２短い分、トルク検出リング３１の凹部３１ｂの周方向の長さよりも大きい。
【００３８】
トルク検出リング３１の外方でトルク検出リング３１の外周面と対向する部位には、トルク検出リング３１の外周を覆うように、円筒状の非磁性部材２８が近接配置されている。補償リング３２の外方で補償リング３２の外周面と対向する部位には、補償リング３２の外周を覆うように、円筒状の非磁性部材２９が近接配置されている。非磁性部材２８及び非磁性部材２９は一体で構成されたものであり、出力軸２に固定されて出力軸２と一体で回転する。トルク検出リング３１の凹部３１ｂと対向する非磁性部材２８の周壁には、非磁性部材２８の外側と内側を連通する矩形状の開口部２８ａがトルク検出リング３１の複数の凹部３１ｂのそれぞれと対応するように設けられている。補償リング３２の凹部３２ｂと対向する非磁性部材２９の周壁には、非磁性部材２９の外側と内側を連通する矩形状の開口部２９ａが補償リング３２の複数の凹部３２ｂのそれぞれと対応するように設けられている。トーションバー５はトルク検出リング３１及び補償リング３２の内部を貫通し、入力軸１と出力軸２とを接続している。
【００３９】
非磁性部材２８の外方で非磁性部材２８の外周面と対向する部位にはリング状のトルク検出コイル９が近接配置されている。トルク検出コイル９の外周部（非磁性部材２８の外周面と対向する内周面を除く部分）を覆う磁性部材１５はトルク検出リング３１と共にトルク検出コイル９の磁気回路を構成している。非磁性部材２９の外方で非磁性部材２９の外周面と対向する部位にはリング状の補償コイル１０が近接配置されている。補償コイル１０の外周部（非磁性部材２９の外周面と対向する内周面を除く部分）を覆う磁性部材１５は補償リング３２と共に補償コイル９の磁気回路を構成している。
【００４０】
運転者がステアリングホイール１６を操舵し、運転者の操舵トルクがステアリングホイール１６を介して入力軸１に伝達され、入力軸１が回転するとトーションバー５はねじれる。トーションバー５のねじれにより、トルク検出リング３１と非磁性部材２８との周方向の相対的な位置関係がずれる。これにより、トルク検出リング３１の歯部の凸部３１ａの非磁性部材２８の開口部２８ａから露出する表面積が変化し、トルク検出コイル９の外周部に配置された磁性部材１５及びトルク検出リング３１によって構成される磁気回路の磁気結合の度合いが変化してトルク検出コイル９のインダクタンスが変化する。従って、トルク検出コイル９に高周波電圧を印加してトルク検出コイル９に生じる電圧を検出する、すなわちインダクタンスの変化を検出することにより、トルク検出リング３１と非磁性部材２８との周方向の相対的な位置関係のずれ（相対角度）を検出することができ、入力軸１に加わる操舵トルクを検出することができる。
【００４１】
操舵トルクが０の時、トルク検出リング３１の歯部の凸部３１ａの非磁性部材２８の開口部２８ａから露出する表面積は全体の１／２になる。この時、インダクタンスの変化はインダクタンスの変化の最大値とインダクタンスの変化の最小値との平均値になる。正操舵トルクが増加した時、非磁性体２８の開口部２８ａから露出するトルク検出リング３１の歯部の凸部３１ａの表面積は拡大する。この時、トルク検出コイル９に生じた磁束は、トルク検出コイル９の外周部にある磁性部材１５及びトルク検出リング３１の歯部の凸部３１ａから形成された磁気回路を通り易くなえる。これにより、インダクタンスの変化が増加する。負操舵トルクが増加した時、非磁性体２８の開口部２８ａから露出するトルク検出リング３１の歯部の凸部３１ａの表面積は減少する。これにより、インダクタンスの変化が小さくなる。
【００４２】
非磁性体２９の開口部２９ａの開口面積は、非磁性体２８の開口部２８ａの開口面積よりも大きいので、補償コイル１０と補償リング３２との周方向の相対的な位置関係が異なっていたとしても、補償コイル１０のインダクタンス値は一定になる。この場合、補償コイル１０のインダクタンス値が、操舵トルク０の時におけるトルク検出コイル９のインダクタンス値と等しくなるように設計することが望ましい。
【００４３】
本実施例によれば、第１実施例と同様に、入力軸１に加わる操舵トルクの大きさによるインダクタンスの変化をトルク検出コイル９で検出すると共に、温度などの外部条件によるインダクタンスの変化を補償コイル１０で検出し、これらの検出結果に基づいて第１実施例と同様の検出回路をもって、温度補償を行いながら入力軸１に加わる操舵トルクを検出するので、第１実施例と同様に、精度の良くトルク検出を行うことができる。
【００４４】
入力軸１上には第１実施例と同様に角度検出リング３３が配置されている。本実施例の角度検出リング３３は第１実施例と同様に、サンギア１２，プラネタリーギア１３及びリングギア１４からなる遊星歯車減速機構である。角度検出リング３３の外周面（リングギア１４の外周面）には、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凸部３３ａと、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凹部３３ｂが周方向に形成されて歯部が形成されている。凸部３３ａ及び凹部３３ｂは角度検出リング３３の外周上に１／２ずつ形成されている。
【００４５】
角度検出リング３３の外方でかつ角度検出リング３３の外周面と対向する部位には、角度検出リング３３の外周を覆うように、円筒状の非磁性部材３０が近接配置されている。非磁性部材３０は車体などに固定されて回転しない。角度検出リング３３の凹部３３ｂと対向する非磁性部材３０の周壁には、非磁性部材３０の外側と内側を連通する矩形状の開口部２８ａが凹部３３ｂと対応するように設けられている。非磁性部材３０の外方で非磁性部材３０の外周面と対向する部位にはリング状の角度検出コイル１１が近接配置されている。角度検出コイル１１の外周部（非磁性部材３０の外周面と対向する内周面を除く部分）を覆う磁性部材１５は角度検出リング３３と共に角度検出コイル１１の磁気回路を構成している。本実施例では、第１実施例と同様に、角度検出リング３３の減速比を１／８に設定しているが、これに限定されることはなく、１／４から１／１０までのいずれかを選択すればよい。
【００４６】
運転者がステアリングホイール１６を操舵し、運転者の操舵トルクがステアリングホイール１６を介して入力軸１に伝達され、入力軸１が回転する。入力軸１の回転はサンギア１２に伝達され、プラネタリーギア１３を介して減速されてリングギア１４に伝達される。これにより、角度検出リング３３と非磁性部材３０との周方向の相対的な位置関係がずれ、角度検出リング３３の歯部の凸部３３ａの非磁性部材３０の開口部３０ａから露出する表面積が変化し、角度検出コイル１１の外周部に配置された磁性部材１５及び角度検出リング３３によって構成される磁気回路の磁気結合の度合いが変化して角度検出コイル１１のインダクタンスが変化する。従って、角度検出コイル１１に高周波電圧を印加して角度検出コイル１１に生じる電圧を検出する、すなわちインダクタンスの変化を検出することにより、角度検出リング３３と非磁性部材３０との周方向の相対的な位置関係がずれ（相対角度）を検出することができ、入力軸１の回転角度（１４４０°の絶対回転角度範囲）、すなわち舵角を検出することができる。
【００４７】
本実施例によれば、第１実施例と同様に、入力軸１の回転角度の大きさによるインダクタンスの変化を角度検出コイル１１で検出すると共に、温度などの外部条件によるインダクタンスの変化を補償コイル１０で検出し、これらの検出結果に基づいて第１実施例と同様の検出回路をもって、温度補償を行いながら入力軸１の回転角度（舵角）を検出するので、第１実施例と同様に、精度の良く角度検出を行うことができる。
【００４８】
トルク検出リング３１、補償リング３２及び角度検出リング２２はいずれも同じ外径を有しており、ステアリングシャフトを同軸としてその同軸上に並設されている。非磁性部材２８，２９，３０はいずれも同じ径を有しており、トルク検出リング３１，補償リング３２及び角度検出リング２２の並列体を同軸としてその同軸上に配置されている。トルク検出コイル９，補償コイル１０，角度コイル１１はいずれもリング状に形成されたものであり、非磁性部材２８，２９，３０の並列体を同軸としてその同軸上に一体に配置されている。
【００４９】
本発明の第３実施例を図７，図８に基づいて説明する。本実施例は、角度・トルクセンサ３の操舵軸方向の長さを短くする例である。入力軸１と出力軸２との間には、操舵軸方向の一方側から第１のトルク検出コイル３４，トルク用磁路形成部３５，第２のトルク検出コイル３６，角度用磁路形成部３７及び角度検出コイル３８の順にステアリングシャフト上に近接して並設されている。第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６は、その外周部（トルク用磁路形成部３５と操舵軸方向に対向する側面の部分を除く部分）を覆う磁性部材１５と、トルク用磁路形成部３５から構成される磁気回路の変化をインダクタンスの変化として検出するリング状の検出素子である。
【００５０】
トルク用磁路形成部３５は、円盤状の出力側非磁性体３５ａ，円盤状の入力側非磁性体３５ｂ，歯車状のトルク検出リング５０及び中空短円柱状のトーションバー取付部５１から構成されている。トルク検出リング５０は、その外周面に凸部と凹部とが周方向に交互に複数形成された磁性部材であり、操舵軸方向に対向する出力側非磁性体３５ａと入力側非磁性体３５ｂとの間に配置され、出力軸２に固定されて出力軸２と一体に回転する。出力側非磁性体３５ａ，入力側非磁性体３５ｂ及びトーションバー取付部５１は入力軸１に固定されて入力軸１と一体に回転する。入力軸１及と出力軸２は、トーションバー取付部５１の内部で、図示省略したトーションバーにより接続されている。これにより、入力軸１と出力軸２との間には操舵トルクの大きさに応じて相対的な回転角度差が生じる。出力側非磁性体３５ａの外周部には、操舵軸方向の一方側から他方側に貫通し、トルク検出リング５０の複数の凸部のそれぞれと対応するように複数の矩形状の開口部３５ｃが形成されている。入力側非磁性体３５ｂの外周部には、操舵軸方向の一方側から他方側に貫通し、トルク検出リング５０の複数の凸部のそれぞれと対応するように複数の矩形状の開口部３５ｄが形成されている。
【００５１】
本実施例では、操舵トルクが０の時、出力側非磁性体３５ａの開口部３５ｃと入力側非磁性体３５ｂの開口部３５ｄから、トルク検出リング５０の凸部がそれぞれ１／２ずつ露出するように、出力側非磁性体３５ａと入力側非磁性体３５ｂとの周方向の相対的な位置をずらして配置している。すなわち操舵トルクが０の時、同一面上における出力側非磁性体３５ａの開口部３５ｃの中心軸から入力側非磁性体３５ｂの開口部３５ｄの中心軸までの周方向のピッチがトルク検出リング５０の凸部の周方向の距離と等しい。従って、操舵トルクが０の時、第１のトルク検出コイル３４の磁気回路を構成するトルク検出リング５０の面積と第２のトルク検出コイル３６の磁気回路を構成するトルク検出リング５０の面積が同じになるので、第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６のインダクタンスは同じ値になる。
【００５２】
正操舵トルクの場合、第１のトルク検出コイル３４から出力側非磁性体３５ａの開口部３５ｃをとおして見えるトルク検出リング５０の凸部の表面積は増加する。一方、第２のトルク検出コイル３６から入力側非磁性体３５ｂの開口部３５ｄをとおして見えるトルク検出リング５０の凸部の表面積は減少する。この時、第１のトルク検出コイル３４のインダクタンスは大きくなり、第２のトルク検出コイル３６のインダクタンスは小さくなる。操舵トルクを増加して、出力側非磁性体３５ａの開口部３５ｃの全面にトルク検出リング５０の凸部が見える時、第１のトルク検出コイル３４のインダクタンスは最大になる。この時、入力側非磁性体３５ｂの開口部３５ｄをとおして見えるトルク検出リング５０の凸部の表面積は最小或いは０になる。すなわち第２のトルク検出コイル３６のインダクタンスは最小となる。負操舵トルクの場合、正操舵トルクの場合とは逆になるので、第１のトルク検出コイル３４のインダクタンスは減少し、第２のトルク検出コイル３６のインダクタンスは増加する。従って、第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６の出力からその差を検出することにより、操舵トルクを求めることができる。
【００５３】
舵角は角度用磁路形成部３７，角度検出コイル３８により検出している。角度用磁路形成部３７は、開口部のない円盤状の非磁性体３７ａ，操舵軸方向の一方側から他方側に貫通する半リング状の開口部３７ｃを有するリング状の非磁性体３７ｂ，半径の大きい半円状の磁性体（凸部）と半径の小さい半円状の磁性体（凹部）とを組み合わせたリング状の角度検出リング６０、及び角度検出リング６０の内周側に設けられ、サンギア１２，プラネタリーギア１３及びリングギア１４からなる遊星歯車機構から構成されている。
【００５４】
非磁性体部３７ｂは固定され、回転しない構造になっている。角度検出リング６０は入力軸１の回転を遊星歯車機構により１／８に減速して回転する構造になっている。尚、遊星歯車機構は、入力軸に接続されたサンギア１２，サンギア１２の回転をリングギアに伝達するプラネタリーギア１３及び角度検出リング６０と一体になったリングギア１４から構成されているが、複数のプラネタリーギア１３の回転中心はいずれも固定されたキャリア３９に接続されていることが必要である。尚、本明細書でこれまで述べてきた遊星歯車機構も、固定されたキャリアを持っていることを前提としている。従って、遊星歯車機構を減速機構として利用することができる。
【００５５】
入力軸１が回転すると、角度検出リング６０が減速されて回転し、非磁性体３７ｂの開口部３７から見える角度検出リング６０の半円状の磁性体（凸部）の表面積が変化する。これにより、角度検出コイル３８のインダクタンスが変化するので、ステアリングホイール１６の舵角を計測することができる。
【００５６】
図９は本実施例の角度・トルクセンサにおける検出回路の構成を示す。発振器２０から各コイルに高周波電圧を印加することは図３に示した方法と同じである。第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６のインダクタンスをそれぞれインダクタンス５２，５３に示す。第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６の出力信号（電圧信号）は差動増幅器２４に入力される。差動増幅器２４は第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６の出力信号の差から操舵トルクを検出し、これに応じた出力信号を出力する。差動増幅器２４の出力信号は出力増幅器２５で増幅され、操舵トルクτとしてモータのコントロールに出力される。本実施例では、第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６の出力差から操舵トルクを検出しているので、周囲温度の影響などを除去する機能を兼ね備えている。
【００５７】
第１及び第２のトルク検出コイル３４，３６のインダクタンス５２，５３の出力を平均化するために、平均値回路５５にそれぞれの出力を入力している。前述したように操舵トルクが変化すると、一方のインダクタンスは増加し、他方のインダクタンスは減少する。従って、その平均値は常に同じ値となり、出力信号は周囲の環境状態による変化だけから影響を受けることになる。本実施例では、平均値回路５５の出力を補償信号として、差動増幅器２６に入力している。差動増幅器２６では、角度検出コイル３８のインダクタンス５４の出力信号と補償信号とに基づいて舵角を検出し、これに応じた出力信号を出力する。差動増幅器２６の出力信号は出力増幅器２７で増幅され、舵角θとしてモータのコントロールに出力される。
【００５８】
以上説明した本実施例によれば、専用の補償コイルを用いることなく、舵角の温度補償などを行うことができ、前例よりも安価でよりコンパクトな角度・トルクセンサを構成することができる。特に運転席内の空間を利用する電動パワーステアリング装置には最適である。
【００５９】
本発明の第４実施例を図１０乃至図１３に基づいて説明する。本実施例は角度・トルクセンサの舵角中心の角度検出精度を向上させる例である。図７の実施例と異なる点は、舵角を検出するために用いられる第１の角度検出コイル６２，第２の角度検出コイル３８、及び角度用磁路形成部６３を備えた点、トルクセンサと角度センサとの間の干渉を防止するための干渉防止用非磁性体６１を設けた点にあり、以下、それらについて説明する。尚、第２の角度検出コイル３８は図７の実施例における角度検出コイル３８と同一の構成要素であるが、検出される出力信号の発生状態が異なる。第２のトルク検出コイル３６及び第１の角度検出コイル６２は、それぞれコイルの外周部に磁気回路を構成する磁性部材１５を有している。このため、それらの間に干渉防止用非磁性体６１を介在させ、磁気干渉を防止するように配慮している。
【００６０】
角度用磁路形成部６３は、入力軸１から伝達された回転を遊星歯車減速機構により１／６に減速して回転する角度検出リング６４，固定された第１の非磁性体６３ａ及び固定された第２の非磁性体６３ａから構成されている。それらを軸方向から見た平面図を図１２に示す。角度検出リング６４は小さな半径の円状構造体６４ａに加えて、半径が大きい角度１１０°の扇状の構造体６４ｂを有している。角度検出リング６４において、小さな半径の円状構造体６４ａよりも外側の扇状の構造体６４ｂは磁性体である。
【００６１】
第１の非磁性体６３ａは円周９０°の範囲で円弧状の開口部６３ｃを有している。第２の非磁性体６３ｂは円周９０°の範囲で円弧状の開口部６３ｄを有している。開口部６３ｃ，６３ｄは操舵軸方向の一方側から他方側に貫通するものである。入力軸１の回転に従って回転する角度検出リング６４の角度により、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積と第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積が異なる。
【００６２】
ここで、舵角（横軸）に対するインダクタンスの大きさ（縦軸）の関係を示す図１３の特性図を用いて詳細に説明する。尚、ここでは、開口部から見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積が最大のとき、インダクタンスは最大となり、開口部から見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積が０になると、インダクタンスは最小になることを基本として説明する。角度検出リング６４の角度が０の時、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積及び第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積はいずれも面積比５５／９０（角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの見える面積／第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃ或いは第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄの面積）で同じである。このため、第１の角度検出コイル６２及び第２の角度検出コイル３８のインダクタンスは一致している。
【００６３】
角度検出リング６４の角度が０°から正方向に大きくなると、第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄから見える検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積は増加し、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積は減少する。角度検出リング６４の角度が３５°になると、角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂは第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄ全体、つまり面積比１００％（９０／９０）で見ることができる。従って、第２の角度検出コイル３８のインダクタンスは最大となる。このとき、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積は面積比で２０／９０となる。
【００６４】
さらに、角度検出リング６４の角度が５５°まで大きくなると、第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄからは１００％の面積比、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃからは０％の面積比でそれぞれ角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂを見ることになる。この時、第２の角度検出コイル３８のインダクタンスは最大となり、第１の角度検出コイル６２のインダクタンスは最小となる。角度検出リング６４の角度がそれ以上になると、第１の角度検出コイル６２のインダクタンスは最小のままで、第２の角度検出コイル３８のインダクタンスは徐々に低下していく。最終的に角度検出リング６４の角度が１４５°になると、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃ及び第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄのいずれからも、角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂは見ることができなくなり、インダクタンスは第１の角度検出コイル６２及び第２の角度検出コイル３８とも最小になる。
【００６５】
角度検出リング６４の角度が負の場合も同様に、第１の角度検出コイル６２及び第２の角度検出コイル３８のインダクタンスは変化する。尚、角度検出リング６４の角度が＋１４５°，−１４５°であるとき、舵角はその６倍、すなわち＋８７０°，−８７０°となる。図１３の特性図はそのような関係をもっている。
【００６６】
実際に検出する信号は第２の検出コイル３８と第１の検出コイル６２との出力差であるので、図１３の特性図に示すよう、にインダクタンスの差（Ｌ２−Ｌ１）に対応していると考えてよい。図１３の特性図から明らかなように、舵角が正の時、インダクタンスの差（Ｌ２−Ｌ１）は常に正である。また、角度検出リング６４の角度が５５°まではインダクタンスの差（Ｌ２−Ｌ１）は単調増加しており、角度検出リング６４の角度が５５°の時、最大値となる。それ以上の角度の時は、インダクタンスの差（Ｌ２−Ｌ１）は徐々に減少し、第１の角度検出コイル６２のインダクタンスＬ１は最小のままである。これにより、角度検出リング６４の角度が５５°より大きいと判断することができる。角度が負の場合も同様である。このように演算することにより、絶対角度として舵角を１７４０°の範囲で検出することができる。
【００６７】
また、図１３の特性図によれば、角度検出リング６４角度に対するインダクタンスの差（Ｌ２−Ｌ１）の変化は角度検出リング６４の角度が±３５°の範囲で最も大きい。従って、検出角度の信号変化は舵角中心付近で最も大きく、その分解能を向上することになる。電動パワーステアリング装置では、走行中にステアリングホイールから手を離すと、自動的にタイヤが舵角中心の方向を向くように制御する必要があり、本実施例ではその精度を向上できる利点がある。また、ここで用いた検出用コイルはトルク検出用と角度検出用ではあるが、同一形状のコイルを使用することができるので、部品種類を低減することができ、低コスト化に貢献することができる。
【００６８】
以上、本発明の実施例では、トルクセンサと角度センサを一体にしたコンパクトな電動パワーステアリング用センサについて述べた。また、補償コイルをトルクセンサと角度センサに兼用する方法について、本発明の実施例では、電子回路でアナログとして処理しているが、マイクロコンピュータでのソフト処理で実施しても良い。複数の実施例について述べたが、これらを組み合わせて、信頼性の向上を図ることもできる。さらに、本発明の実施例で述べたセンサは、複数回転する絶対角度を検出する必要がある通常の角度センサとしても有効である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、簡単な構造で、絶対角度としての舵角を精度良く検出することができる角度センサを提供することができる。また、本発明によれば、簡単な構造で、操舵トルクと舵角をそれぞれ精度良く検出することができるセンサ及びこれを備えた電動パワーステアリングを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の角度・トルクセンサの構成を示す斜視図である。
【図２】図１の分解斜視図である。
【図３】図１の角度・トルクセンサにおける検出回路の構成を示す回路図である。
【図４】図１の角度・トルクセンサをステアリング用センサとして電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２実施例の角度・トルクセンサの構成を示す斜視図である。
【図６】図５の分解斜視図である。
【図７】本発明の第３実施例の角度・トルクセンサの構成を示す斜視図である。
【図８】図７の分解斜視図である。
【図９】図８の角度・トルクセンサにおける検出回路の構成を示す回路図である。
【図１０】本発明の第４実施例の角度・トルクセンサの構成を示す斜視図である。
【図１１】図１０の分解斜視図である。
【図１２】図１１の角度検出リング，第１及び第２の非磁性体を軸方向から見た平面図である。
【図１３】図１０の舵角に対するインダクタンスの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１…入力軸、２…出力軸、３…角度・トルクセンサ、４…出力軸検出リング、５…トーションバー、６…入力軸検出リング、７，３２…補償リング、８，３３，６０，６４…角度検出リング、９，３４，３６…トルク検出コイル、１０…補償コイル、１１，３８，６２…角度検出コイル、１２…サンギア、１３…プラネタリーギア、１４…リングギア、１５…磁性部材、１６…ステアリングホイール、１７…コントローラ、１８…モータ、１９ａ，１９ｂ…タイヤ、２０…発振器、２１，２２，２３，５２，５３，５４…インダクタンス、２４，２６…差動増幅器、２５，２７…出力増幅器、２８，２９，３０，６３ａ，６３ｂ…非磁性体、３１，５０…トルク検出リング、３５…トルク用磁路形成部、３７…角度用磁路形成部、３９…キャリア、５１…トーションバー取付部、５５…平均値回路、６１…干渉防止用非磁性体。
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸の回転角度を検出する角度センサ、回転軸の回転角度とトルクを検出する角度・トルクセンサ及び電動パワーステアリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
運転者の操舵トルクに応じてモータのトルクを発生し、タイヤの転舵を補助する自動車の電動パワーステアリングに用いられているセンサとしては従来、例えば特開平５−１４９８０５号公報，特開平６−１０２１１３号公報などに記載されたものが知られている。この従来のものは非接触式のセンサであり、トーションバーのねじれをインダクタンスの変化として検出し、これに応じて操舵トルクを検出している。また、電動パワーステアリングに用いられているセンサとしては従来、例えば特開２００１−９１３７５号公報，特開２００１−９１３７７号公報などに記載されているように、トルクセンサと角度センサを一体にしたものも知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電動パワーステアリングでは、モータのトルクを制御するために、操舵トルクを検出するトルクセンサが必要である。しかも、電動パワーステアリングの低コスト化を図るために、安価なトルクセンサが不可欠である。また、電動パワーステアリングでは、電動パワーステアリングが装着されていない一般的な自動車のように、走行中、ハンドルを手放しにした場合、タイヤが自動的に直進方向に向くようにモータを制御する必要がある。このため、電動パワーステアリングにはトルクセンサの他に、直進方向に対するタイヤの角度を検出する角度センサ、いわゆる舵角センサが必要である。
【０００４】
角度センサを設けるにあたっては、電動パワーステアリングの低コスト化，コンパクト化を図ることが望ましい。この点、トルクセンサと角度センサを一体にした前述の特開２００１−９１３７５号公報，特開２００１−９１３７７号公報に記載されたセンサでは、電動パワーステアリングのコンパクト化を図ることができる。しかしながら、現状、従来のセンサよりもさらに、３回転から４回転する操舵軸の絶対角度を精度よく、しかも安価な構成で検出することができるセンサの出現が望まれている。
【０００５】
すなわち前述の特開２００１−９１３７５号公報に記載されたセンサは、入力軸に設けられた磁気波条の磁界の強さを検出する第１及び第２の磁気センサの検出値に基づいて入力軸の回転角度を求め、入力軸に設けられた磁気波条の磁界の強さを検出する第１の磁気センサの検出値に基づいて求められた入力軸の回転角度と、出力軸に設けられた磁気波条の磁界の強さを検出する第３の磁気センサの検出値に基づいて求められた出力軸の回転角度との角度差に応じて入力軸に加わるトルクを求めるものであり、原理的に操舵軸の数分の１回転を１周期として検出する方式のものである。ところが、ハンドルは左右にそれぞれ１回転以上回転するので、角度センサとしては少なくとも７２０°以上の絶対角度を検出する必要がある。しかし、この公報に記載されたセンサは、上述のような検出方式を採用したものであるので、絶対角度とトルクを検出するセンサとしてはさらに検出精度を向上させる必要がある。
【０００６】
また、前述の特開２００１−９１３７７号公報に記載されたセンサは、入力軸と一体回転が可能かつ入力軸の軸方向に摺動が可能であり、極性の異なる磁石が外周壁の周方向に交互に装着された摺動部材を入力軸に嵌装し、摺動部材の軸方向の摺動及び回転に応じた磁石の磁束の変化を第１及び第２の磁気センサで検出し、入力軸に加わるトルク及び回転角度を検出するものである。しかし、この公報に記載されたセンサでは摺動部材の構造が複雑になるので、安価な電動パワーステアリングを提供するためにはさらに構造を簡単化して低コスト化を図る必要がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、簡単な構造で、絶対角度としての舵角を精度良く検出することができる角度センサを提供する。また、本発明は、簡単な構造で、操舵トルクと舵角をそれぞれ精度良く検出することができるセンサ及びこれを備えた電動パワーステアリングを提供する。
【０００８】
本発明の一つは、回転軸から伝達された回転を減速させる減速機構と、減速機構の減速軸の回転角度によりインダクタンスを変化させる可変インダクタンス機構と、インダクタンスの変化を検出する検出コイルと、検出コイルの出力から回転軸の角度を検出する回路とを有するセンサを特徴とする。本発明において、減速軸の回転角度に対する可変インダクタンス機構によるインダクタンスの変化が減速軸の回転角度０近傍で最大であることが、電動パワーステアリングによる舵角の中心を精度良く検出する上で好ましい。
【０００９】
本発明の他のものは、トルクによりねじれるトーションバーの入力軸と出力軸との相対角度を検出するために設けられた機構による状態量の変化を検出するトルク検出コイルと、入力軸或いは出力軸から伝達され、減速機構により減速された回転で回転する減速軸の回転角度を検出するために設けられた機構による状態量の変化を検出する角度検出コイルと、トルク検出コイルの出力から相対角度を検出してトルクを検出する回路と、角度検出コイルの出力から回転角度を検出する回路とを有するセンサを特徴とする。本発明において、トルク検出コイルの出力及び角度検出コイルの出力或いはそれらのうちの一方の出力を補償する補償手段を有することが、安定した検出結果を得る上で好ましい。補償手段は、例えばトルク検出コイルの出力及び角度検出コイルの出力或いはそれらのうちの一方の出力を補償する補償信号を得るために設けられた機構によって決まる状態量を検出する補償コイルと、補償コイルの出力から補償信号を生成して出力する補償回路とを備えて構成されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施例を図１乃至図４に基づいて説明する。図４は本実施例の電動パワーステアリング装置の構成を示す。電動パワーステアリング装置は、運転者の操舵トルクに応じてモータのトルクを発生し、タイヤの転舵を補助するものであり、自動車などの走行車に搭載されている。運転者からの操舵トルクが伝達されるステアリングホイール１６には入力軸１の一端側が連結されている。入力軸１の他端側は、図示省略されたトーションバーを介して出力軸２の一端側に連結されている。出力軸２の他端側はステアリングギア機構７０を介してロッド７１に連結されている。ロッド７１の両端にはタイヤ１９ａ，１９ｂが転舵可能に連結されている。入力軸１及び出力軸２は、運転者からステアリングホイール１６に伝達された操舵トルクによって回転する。尚、入力軸１及び出力軸２を合わせてステアリングシャフト（操舵軸）という。ステアリングシャフトの回転運動はステアリングギア機構７０によって左右の直線運動に変換され、ロッド７１に伝達される。これにより、走行車の直進方向に対してタイヤ１９ａ，１９ｂの向きを左右に変える（転舵する）ことができる。
【００１１】
ここで、タイヤ１９ａ，１９ｂの回転軸の軸線の延びる方向における外周面幅の中央を中心として中心線を引いた場合、その中心線が走行車の直進方向に対して向く方向を転舵方向という。中心線と回転軸の軸線との交点を軸として走行車の直進方向に対して転舵方向がなす角度を舵角という。タイヤ１９ａ，１９ｂの転舵方向が走行車の直進方向と同方向（舵角が０）にある場合、ここを舵角の基準としてこれを舵角中心という。タイヤ１９ａ，１９ｂの転舵方向が舵角中心にある時のステアリングホイール１６の位置を基準位置とし、その基準位置に対してステアリングホイール１６の位置が時計の回転方向にずれる（ステアリングホイール１６が時計の回転方向に回転する）場合を正方向、ステアリングホイール１６の位置が時計の回転方向とは逆方向にずれる（ステアリングホイール１６が時計の回転方向とは逆方向に回転する）場合を負方向とそれぞれいう。運転者がステアリングホイール１６を操舵する場合、ステアリングホイール１６が正方向に操舵（回転）された時にステアリングホイール１６に加わる操舵トルクを正操舵トルク，ステアリングホイール１６が負方向に操舵（回転）された時にステアリングホイール１６に加わる操舵トルクを負操舵トルクとそれぞれいう。尚、ステアリングホイール１６が基準位置にある時、ステアリングホイール１６に加わる操舵トルクは０である。ステアリングシャフトの軸線の延びる方向と同じ方向を操舵軸方向という。
【００１２】
入力軸１と出力軸２との間には、運転者からステアリングホイール１６を介してステアリングシャフトに伝達された操舵トルク及びタイヤ１９ａ，１９ｂの舵角を検出する角度・トルクセンサ３（ステアリング用センサともいう）が設けられている。出力軸２には、モータ１８の回転トルクをアシストトルクとして出力軸２に伝達できるように、モータ１８の回転軸が連結されている。角度・トルクセンサ３とモータ１８との間には、角度・トルクセンサ３の出力（検出結果）に基づいてモータ１８の駆動を制御するコントローラ１７が電気的に接続されている。コントローラ１７は、角度・トルクセンサ３によって検出された操舵トルクに基づいてモータ１８が発生すべきアシストトルクを算出し、この算出結果に基づいてモータ１８の発生トルクを制御する。このように、電動パワーステアリング装置では、モータ１８の駆動を制御し、モータ１８で発生したアシストトルクを出力軸２に付加するので、運転者は小さい操舵トルクでタイヤ１９ａ，１９ｂの転舵方向を変えることができる。
【００１３】
また、コントローラ１７は、角度・トルクセンサ３によって検出された舵角のフィードバックを受けて、この舵角に基づいてモータ１８の駆動を制御する。このように、電動パワーステアリング装置では、モータ１８の駆動を制御し、モータ１８で発生した駆動力を出力軸２に付加するので、走行車の走行中に運転者がステアリングホイール１６を手放した時、電動パワーステアリング装置が搭載されていない走行車と同じように、タイヤ１９ａ，１９ｂの転舵方向を舵角中心に戻す、すなわち舵角を０とすることができる。
【００１４】
本実施例によれば、角度センサ及びトルクセンサが一体になった角度・トルクセンサ３をステアリングシャフトに設け、操舵トルク及び舵角を検出しているので、コントローラ１７及びモータ１８をコンパクトにまとめることができ、電動パワーステアリング装置のコンパクト化を図ることができる。さらに、本実施例では、角度・トルクセンサ３，コントローラ１７及びモータ１８を完全に一体化することもでき、電動パワーステアリング装置のさらなるコンパクト化を図ることもできる。
【００１５】
図１，図２は本実施例の角度・トルクセンサの構成を示す。本実施例の角度・トルクセンサ３は、ステアリングシャフトの回転に伴うインダクタンスの変化を利した非接触式のステアリング用センサであり、インダクタンスの変化を検出してトーションバーのねじれ角を検出し、操舵トルクを検出するトルクセンサと、インダクタンスの変化を検出して舵角を検出する角度センサとが一体化になったコンパクトなものである。
【００１６】
入力軸１と出力軸２との間にはトーションバー５が接続されている。トーションバー５は操舵トルクに応じてねじれる。トーションバー５の入力軸１側には入力軸検出リング６が配置されている。入力軸検出リング６は入力軸１と一体になって回転する。トーションバー５の出力軸２側には出力軸検出リング４が配置されている。出力軸検出リング４は出力軸２と一体になって回転する。入力軸検出リング６及び出力軸検出リング４は短円柱（径に比べて長さが短い円柱）状の磁性部材から形成されたものであり、ステアリングシャフト上に対向配置されている。
【００１７】
入力軸検出リング６の外周部の出力軸検出リング４側端部には、出力軸検出リング４との対向方向（操舵軸方向）に突出した円弧状の凸部６ａと、出力軸検出リング４との対向方向とは逆方向に窪んだ円弧状の凹部６ｂとが周方向に交互に複数形成されて歯部が形成されている。出力軸検出リング４の外周部の入力軸検出リング６側端部には、入力軸検出リング６との対向方向（操舵軸方向）に突出した円弧状の凸部６ａと、入力軸検出リング６の対向方向とは逆方向に窪んだ円弧状の凹部６ｂとが周方向に交互に複数形成されて歯部が形成されている。入力軸検出リング６の凸部６ａ（凹部６ｂ）及び出力軸検出リング４の凸部４ａ（凹部４ｂ）の数，大きさ及び周方向の配置ピッチ（凸部（凹部）の中心軸から次の凸部（凹部）の中心軸までの距離）は等しい。
【００１８】
入力軸検出リング６及び出力軸検出リング４の外方でかつ入力軸検出リング６の歯部の外周面と出力軸検出リング４の歯部の外周面との両方と対向する部位には、車体に固定されたトルク検出コイル９が近接配置されている。トルク検出コイル９の外周部（入力軸検出リング６の歯部の外周面及び出力軸検出リング４の歯部と対向する内周面を除く部分）は磁性部材１５によって覆われている。磁性部材１５は、入力軸検出リング６及び出力軸検出リング４と共に、トルク検出コイル９に生じる磁束が通る磁気回路を構成している。
【００１９】
運転者がステアリングホイール１６を操舵し、運転者の操舵トルクがステアリングホイール１６を介して入力軸１に伝達され、入力軸１が回転するとトーションバー５はねじれる。トーションバー５のねじれにより、入力軸検出リング６の歯部と、それに対向する出力軸検出リング４の歯部との周方向の相対的な位置関係がずれる。これにより、入力軸検出リング６の歯部の凸部６ａと出力軸検出リング４の歯部の凸部４ａとの対面する面積が変化し、トルク検出コイル９の外周部に配置された磁性部材１５，入力軸検出リング６及び出力軸検出リング４によって構成される磁気回路の磁気結合の度合いが変化し、トルク検出コイル９のインダクタンスが変化する。従って、トルク検出コイル９に高周波電圧を印加してトルク検出コイル９に生じる電圧を検出する、すなわちインダクタンスの変化を検出することにより、入力軸検出リング６と出力軸検出リング４との周方向の相対的な位置関係のずれ（相対角度）を検出することができ、入力軸１に加わる操舵トルクを検出することができる。
【００２０】
尚、本実施例の角度・トルクセンサ３では、操舵トルクが０の時、入力軸検出リング６の歯部の凸部６ａと出力軸検出リング４の歯部の凸部４ａが互に１／２の面積で対向するように、入力軸検出リング６と出力軸検出リング４との相対的な周方向の位置関係を設定している。従って、本実施例の角度・トルクセンサ３では、インダクタンスの最大変化とインダンクタンスの最小変化のほぼ中間にあたるインダクタンスの変化を検出することができる。
【００２１】
入力軸検出リング６の出力軸検出リング４側とは反対側には補償リング７が配置されている。補償リング７は中空短円柱状の磁性部材によって形成されたものであり、入力軸１上において入力軸検出リング６と対向している。また、補償リング７は入力軸１とは分離されて固定され、回転することがないように、入力軸１上に配置されている。すなわち補償リング７は、その中心部に設けられた中空部の内周面と入力軸１の外周面との間に所定の間隙を介して入力軸１がその中空部を貫通し、しかも補償リング７と入力軸１が同心状をなすように、入力軸１上に配置されている。
【００２２】
補償リング７の外周部の入力軸検出リング６側端部には、入力軸検出リング６との対向方向（操舵軸方向）に突出した円弧状の凸部７ａと、入力軸検出リング６の対向方向とは逆方向に窪んだ円弧状の凹部７ｂとが周方向に交互に複数形成されて歯部が形成されている。補償リング７の凸部７ａ（凹部７ｂ）の数，大きさ及び周方向の配置ピッチ（凸部（凹部）の中心軸から次の凸部（凹部）の中心軸までの距離）は、入力軸検出リング６の凸部６ａ（凹部６ｂ）の数，大きさ及び周方向の配置ピッチと等しい。
【００２３】
補償リング７及び入力軸検出リング６の外方でかつ補償リング７の歯部の外周面と入力軸検出リング６の補償リング７側端部の外周面との両方と対向する部位には、車体に固定された補償コイル１０が近接配置されている。補償コイル１０は、入力軸１と一体になって回転する入力軸検出リング６と固定された補償リング７で決定されるインダクタンスを検出するものである。トルク検出コイル９がインダクタンスの変化を検出する際、温度によりその出力値が変化する場合がある。従って、補償コイル１０の出力によってトルク検出コイル９の出力値を補償する必要がある。補償コイル１０の外周部（補償リング７の歯部の外周面及び入力軸検出リング６の補償リング７側端部の外周面と対向する内周面を除く部分）は磁性部材１５によって覆われている。磁性部材１５は、補償リング７及び入力軸検出リング６と共に、補償リング７に生じる磁束が通る磁気回路を構成している。
【００２４】
運転者がステアリングホイール１６を操舵し、運転者の操舵トルクがステアリングホイール１６を介して入力軸１に伝達され、入力軸１が回転すると、入力軸検出リング６と補償リング７との周方向の相対的な位置関係がずれる。前述したように、補償リング７は固定され（回転せず）、入力軸検出リング６の補償リング７側端部には歯部が形成されていないので、補償コイル１０の外周部に配置された磁性部材１５，入力軸検出リング６及び補償リング７によって構成される磁気回路の磁気結合の度合いが一定である。このため、補償コイル１０のインダクタンスは、入力軸検出リング６と補償リング７との周方向の相対的な位置関係のずれでは変化せず、温度等の外部条件だけで変化する。従って、補償コイル１０に高周波電圧を印加して補償コイル１０に生じる電圧を検出する、すなわち温度等の外部条件だけで変化するインダクタンス検出し、トルク検出コイル９の出力値との差分をとることにより、温度等の外部条件により変化するトルク検出コイル９の出力値を補償することができる。
【００２５】
本実施例によれば、補償リング７と補償コイル１０とを有する補償手段を備えているので、周囲温度が変化した場合、トルク検出コイル９におけるコイル抵抗の変化や出力特性の変化の影響を補償することができる。従って、本実施例によれば、簡単な構造で、高精度のトルク検出を行うことができる。また、インダクタンスの変化は、入力軸検出リング６の歯部の凸部６ａと出力軸検出リング４の歯部の凸部４ａとの対向面積の総和で決定されるので、入力軸検出リング６の歯部及び出力軸検出リング４の歯部の加工精度がインダクタンスに影響する割合を低減することができる。従って、本実施例によれば、簡単な構造で、安定したトルクセンサ性能を得ることができる。
【００２６】
補償リング７の入力軸検出リング６側とは反対側には角度検出リング８が配置されている。補償リング７及び角度検出リング８は入力軸１上において対向している。角度検出リング８は、入力軸１上に固定されたサンギア１２と、サンギア１２の外周に複数個配置されてそれぞれサンギア１２と噛み合うプラネタリーギア１３と、複数個のプラネタリーギア１３を取り巻くように配置されて複数個のプラネタリーギア１３のそれぞれと噛み合うリングギア１４から構成された遊星歯車機構であり、入力軸１の回転を減速してリングギア１４（減速軸）に伝達する構成になっている。リングギア１４は磁性部材によって形成されている。減速機構として遊星歯車機構を採用した本実施例によれば、入力軸１の回転をコンパクトな構成で減速することができる。
【００２７】
角度検出リング８の外周部（リングギア１４に相当する）の補償リング７側端部には、補償リング７との対向方向（操舵軸方向）に突出した円弧状の凸部８ａと、補償リング７の対向方向とは逆方向に窪んだ円弧状の凹部８ｂとが周方向に形成されて歯部が形成されている。補償リング７の外周部の角度検出リング８側端部には、角度検出リング８との対向方向（操舵軸方向）に突出した円弧状の凸部７ｃと、角度検出リング８の対向方向とは逆方向に窪んだ円弧状の凹部７ｄとが周方向に形成されて歯部が形成されている。凸部８ａ及び凹部８ｂは角度検出リング８の円周上に１／２ずつ、凸部７ｃ及び凹部７ｄは補償リング７の円周上に１／２ずつそれぞれ形成されている。角度検出リング８の凸部８ａ（凹部８ｂ）及び補償リング７の凸部７ａ（凹部７ｂ）の大きさは等しい。
【００２８】
補償リング７及び角度検出リング８の外方でかつ補償リング７の角度検出リング８側歯部の外周面と角度検出リング８の歯部の外周面との両方と対向する部位には、車体に固定された角度検出コイル１１が近接配置されている。角度検出コイル１１の外周部（補償リング７の角度検出リング８側歯部の外周面及び角度検出リング８の外周面と対向する内周面を除く部分）は磁性部材１５によって覆われている。磁性部材１５は、角度検出リング８（リングギア１４）及び補償リング７と共に、角度検出コイル１１に生じる磁束が通る磁気回路を構成している。
【００２９】
ステアリングホイール１６は基準位置から正方向及び負方向にそれぞれ２回転する。すなわち絶対角度で１４４０°回転する。このため、本実施例では、遊星歯車機構により入力軸１の回転を減速比１／８で減速し、角度検出リング８（リングギア１４）を最大１８０°で回転させ、この回転によるインダクタンスの変化を角度検出コイル１１で検出し、角度検出コイル１１の出力値から舵角を検出している。尚、本実施例では、減速比１／８とした場合について説明したが、これに限定されることはなく、１／４から１／１０までのいずれかを選択すればよい。
【００３０】
運転者がステアリングホイール１６を操舵し、運転者の操舵トルクがステアリングホイール１６を介して入力軸１に伝達され、入力軸１が回転する。入力軸１の回転はサンギア１２に伝達され、プラネタリーギア１３を介して減速されてリングギア１４に伝達される。これにより、補償リング７の歯部と、それに対向する角度検出リング８の歯部との周方向の相対的な位置関係がずれ、補償リング７の歯部の凸部７ｃと角度検出リング８の歯部の凸部８ａとの対面する面積が変化し、角度検出コイル１１の外周部に配置された磁性部材１５，補償リング７及び角度検出リング８によって構成される磁気回路の磁気結合の度合いが変化し、角度検出コイル１１のインダクタンスが変化する。従って、角度検出コイル１１に高周波電圧を印加して角度検出コイル１１に生じる電圧を検出する、すなわちインダクタンスの変化を検出することにより、補償リング７と角度検出リング１１との周方向の相対的な位置関係のずれ（相対角度）を検出することができ、入力軸１の回転角度、すなわち舵角を検出することができる。
【００３１】
ステアリングホイール１６の正方向で舵角が最大値になる時、補償リング７の歯部の凸部７ｃと角度検出リング８の歯部の凸部８ａとの対面する面積は最大になる。ステアリングホイール１６の負方向で舵角が最大値になる時、補償リング７の歯部の凸部７ｃと角度検出リング８の歯部の凸部８ａとの対面する面積が最小になる。舵角０の時、補償リング７の歯部の凸部７ｃと角度検出リング８の歯部の凸部８ａとの対面する面積は最大面積と最小面積の平均値になる。本実施例では、この平均値となった場合に舵角０としている。
【００３２】
入力軸検出リング６，出力軸検出リング４，補償リング７及び角度検出リング８はいずれも同じ外径を有しており、ステアリングシャフトを同軸としてその同軸上に並設されている。トルク検出コイル９，補償コイル１０，角度検出コイル１１はいずれもリング状に形成されたものであり、入力軸検出リング６，出力軸検出リング４，補償リング７及び角度検出リング８の並列体を同軸としてその同軸上に一体に配置されている。尚、本実施例では、各コイルの構成が判り易いように半リング状で図示している。
【００３３】
図３は、本実施例の角度・トルクセンサにおける操舵トルク及び舵角の検出回路を示す。発振器２０は、インダクタンスを検出するための高周波信号を発生する。トルク検出コイル９，補償コイル１０，角度検出コイル１１のインダクタンスをそれぞれインダクタンス２１，２２，２３に示す。トルク検出コイル９と補償コイル１０の出力（電圧）が差動増幅器２４に入力されると、差動増幅器２４の出力はそれらの差分によって変化する。操舵トルクが０の時は差動増幅器２４の出力は０となる。ステアリングホイール１６の正方向で操舵トルクが最大値の時及びステアリングホイール１６の負方向で操舵トルクが最大値の時、差動増幅器２４の出力はそのトルク範囲内でそれぞれ最大値になる。すなわち温度等の外部条件の影響を除去することができる構成になっている。差動増幅器２４の出力信号は出力増幅器２５で増幅され、操舵トルク信号τとしてコントローラ１７に出力される。
【００３４】
上述のように、舵角０の時、角度検出コイル１１によって検出されるインダクタンスの変化はインダクタンスの変化の最大値と最小値の平均値になる。本実施例では、角度検出コイル１１によって検出されるインダクタンスの変化と、補償コイル１０によって検出されるインダクタンスを一致させている。このため、舵角０の時、角度検出コイル１１の出力と補償コイル１０の出力との差分により差動増幅器２６の出力は０となる。舵角＋７２０°の時、角度検出コイル１１のインダクタンスの変化は最大値になり、差動増幅器２６の出力も最大値になる。舵角−７２０°の時、角度検出コイル１１のインダクタンスは最小値になり、差動増幅器２６の出力も最小値になる。差動増幅器２６の出力信号は出力増幅器２７で増幅され、舵角信号θとしてコントローラ１７に出力される。
【００３５】
以上説明した本実施例によれば、温度等の外部状態の変化を補償する１つの補償コイル１０を２つのセンサ、すなわちトルクセンサと角度センサの補償に利用することができるので、安価で高性能の角度・トルクセンサ３を提供することができる。また、本実施例によれば、トルクセンサと同様に、インダクタンスの変化による検出原理を用いて、角度センサを構成したので、同一形状の検出コイルを利用することができ、同軸上にトルクセンサと角度センサをコンパクトに配置することができる。さらに、本実施例によれば、角度センサに遊星歯車機構を内蔵しているので、絶対角度１４４０°の回転角度範囲を検出することができ、高精度で幅広い範囲の舵角を検出することができる角度・トルクセンサ３を提供することができる。
【００３６】
本発明の第２実施例を図５，図６に基づいて説明する。本実施例はインダクタンスの変化方法が第１実施例と異なる。本実施例では、磁性体で形成された歯車状のトルク検出リング３１と、磁性体で形成された歯車状の補償リング３２が一体になり、入力軸１と共に一体で回転する。
【００３７】
トルク検出リング３１の外周面には、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凸部３１ａと、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凹部３１ｂとが周方向に交互に複数形成されて歯部が形成されている。補償リング３２の外周面には、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凸部３２ａと、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凹部３２ｂとが周方向に交互に複数形成されて歯部が形成されている。トルク検出リング３１の凸部３１ａ（凹部３１ｂ）及び補償リング３２の凸部３２ａ（凹部３２ｂ）の数は等しいが、大きさ及び周方向の配置ピッチ（凸部（凹部）の中心軸から次の凸部（凹部）の中心軸までの距離）は異なっている。本実施例では、補償リング３２の凸部３２ａの周方向の長さがトルク検出リング３１の凸部３１ａの周方向の長さより１／２短い。補償リング３２の凹部３２ｂの周方向の長さは、その凸部３２ａの周方向の長さがトルク検出リング３１の凸部３１ａの周方向の長さより１／２短い分、トルク検出リング３１の凹部３１ｂの周方向の長さよりも大きい。
【００３８】
トルク検出リング３１の外方でトルク検出リング３１の外周面と対向する部位には、トルク検出リング３１の外周を覆うように、円筒状の非磁性部材２８が近接配置されている。補償リング３２の外方で補償リング３２の外周面と対向する部位には、補償リング３２の外周を覆うように、円筒状の非磁性部材２９が近接配置されている。非磁性部材２８及び非磁性部材２９は一体で構成されたものであり、出力軸２に固定されて出力軸２と一体で回転する。トルク検出リング３１の凹部３１ｂと対向する非磁性部材２８の周壁には、非磁性部材２８の外側と内側を連通する矩形状の開口部２８ａがトルク検出リング３１の複数の凹部３１ｂのそれぞれと対応するように設けられている。補償リング３２の凹部３２ｂと対向する非磁性部材２９の周壁には、非磁性部材２９の外側と内側を連通する矩形状の開口部２９ａが補償リング３２の複数の凹部３２ｂのそれぞれと対応するように設けられている。トーションバー５はトルク検出リング３１及び補償リング３２の内部を貫通し、入力軸１と出力軸２とを接続している。
【００３９】
非磁性部材２８の外方で非磁性部材２８の外周面と対向する部位にはリング状のトルク検出コイル９が近接配置されている。トルク検出コイル９の外周部（非磁性部材２８の外周面と対向する内周面を除く部分）を覆う磁性部材１５はトルク検出リング３１と共にトルク検出コイル９の磁気回路を構成している。非磁性部材２９の外方で非磁性部材２９の外周面と対向する部位にはリング状の補償コイル１０が近接配置されている。補償コイル１０の外周部（非磁性部材２９の外周面と対向する内周面を除く部分）を覆う磁性部材１５は補償リング３２と共に補償コイル９の磁気回路を構成している。
【００４０】
運転者がステアリングホイール１６を操舵し、運転者の操舵トルクがステアリングホイール１６を介して入力軸１に伝達され、入力軸１が回転するとトーションバー５はねじれる。トーションバー５のねじれにより、トルク検出リング３１と非磁性部材２８との周方向の相対的な位置関係がずれる。これにより、トルク検出リング３１の歯部の凸部３１ａの非磁性部材２８の開口部２８ａから露出する表面積が変化し、トルク検出コイル９の外周部に配置された磁性部材１５及びトルク検出リング３１によって構成される磁気回路の磁気結合の度合いが変化してトルク検出コイル９のインダクタンスが変化する。従って、トルク検出コイル９に高周波電圧を印加してトルク検出コイル９に生じる電圧を検出する、すなわちインダクタンスの変化を検出することにより、トルク検出リング３１と非磁性部材２８との周方向の相対的な位置関係のずれ（相対角度）を検出することができ、入力軸１に加わる操舵トルクを検出することができる。
【００４１】
操舵トルクが０の時、トルク検出リング３１の歯部の凸部３１ａの非磁性部材２８の開口部２８ａから露出する表面積は全体の１／２になる。この時、インダクタンスの変化はインダクタンスの変化の最大値とインダクタンスの変化の最小値との平均値になる。正操舵トルクが増加した時、非磁性体２８の開口部２８ａから露出するトルク検出リング３１の歯部の凸部３１ａの表面積は拡大する。この時、トルク検出コイル９に生じた磁束は、トルク検出コイル９の外周部にある磁性部材１５及びトルク検出リング３１の歯部の凸部３１ａから形成された磁気回路を通り易くなえる。これにより、インダクタンスの変化が増加する。負操舵トルクが増加した時、非磁性体２８の開口部２８ａから露出するトルク検出リング３１の歯部の凸部３１ａの表面積は減少する。これにより、インダクタンスの変化が小さくなる。
【００４２】
非磁性体２９の開口部２９ａの開口面積は、非磁性体２８の開口部２８ａの開口面積よりも大きいので、補償コイル１０と補償リング３２との周方向の相対的な位置関係が異なっていたとしても、補償コイル１０のインダクタンス値は一定になる。この場合、補償コイル１０のインダクタンス値が、操舵トルク０の時におけるトルク検出コイル９のインダクタンス値と等しくなるように設計することが望ましい。
【００４３】
本実施例によれば、第１実施例と同様に、入力軸１に加わる操舵トルクの大きさによるインダクタンスの変化をトルク検出コイル９で検出すると共に、温度などの外部条件によるインダクタンスの変化を補償コイル１０で検出し、これらの検出結果に基づいて第１実施例と同様の検出回路をもって、温度補償を行いながら入力軸１に加わる操舵トルクを検出するので、第１実施例と同様に、精度の良くトルク検出を行うことができる。
【００４４】
入力軸１上には第１実施例と同様に角度検出リング３３が配置されている。本実施例の角度検出リング３３は第１実施例と同様に、サンギア１２，プラネタリーギア１３及びリングギア１４からなる遊星歯車減速機構である。角度検出リング３３の外周面（リングギア１４の外周面）には、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凸部３３ａと、操舵軸方向に連続して形成された円弧状の凹部３３ｂが周方向に形成されて歯部が形成されている。凸部３３ａ及び凹部３３ｂは角度検出リング３３の外周上に１／２ずつ形成されている。
【００４５】
角度検出リング３３の外方でかつ角度検出リング３３の外周面と対向する部位には、角度検出リング３３の外周を覆うように、円筒状の非磁性部材３０が近接配置されている。非磁性部材３０は車体などに固定されて回転しない。角度検出リング３３の凹部３３ｂと対向する非磁性部材３０の周壁には、非磁性部材３０の外側と内側を連通する矩形状の開口部２８ａが凹部３３ｂと対応するように設けられている。非磁性部材３０の外方で非磁性部材３０の外周面と対向する部位にはリング状の角度検出コイル１１が近接配置されている。角度検出コイル１１の外周部（非磁性部材３０の外周面と対向する内周面を除く部分）を覆う磁性部材１５は角度検出リング３３と共に角度検出コイル１１の磁気回路を構成している。本実施例では、第１実施例と同様に、角度検出リング３３の減速比を１／８に設定しているが、これに限定されることはなく、１／４から１／１０までのいずれかを選択すればよい。
【００４６】
運転者がステアリングホイール１６を操舵し、運転者の操舵トルクがステアリングホイール１６を介して入力軸１に伝達され、入力軸１が回転する。入力軸１の回転はサンギア１２に伝達され、プラネタリーギア１３を介して減速されてリングギア１４に伝達される。これにより、角度検出リング３３と非磁性部材３０との周方向の相対的な位置関係がずれ、角度検出リング３３の歯部の凸部３３ａの非磁性部材３０の開口部３０ａから露出する表面積が変化し、角度検出コイル１１の外周部に配置された磁性部材１５及び角度検出リング３３によって構成される磁気回路の磁気結合の度合いが変化して角度検出コイル１１のインダクタンスが変化する。従って、角度検出コイル１１に高周波電圧を印加して角度検出コイル１１に生じる電圧を検出する、すなわちインダクタンスの変化を検出することにより、角度検出リング３３と非磁性部材３０との周方向の相対的な位置関係がずれ（相対角度）を検出することができ、入力軸１の回転角度（１４４０°の絶対回転角度範囲）、すなわち舵角を検出することができる。
【００４７】
本実施例によれば、第１実施例と同様に、入力軸１の回転角度の大きさによるインダクタンスの変化を角度検出コイル１１で検出すると共に、温度などの外部条件によるインダクタンスの変化を補償コイル１０で検出し、これらの検出結果に基づいて第１実施例と同様の検出回路をもって、温度補償を行いながら入力軸１の回転角度（舵角）を検出するので、第１実施例と同様に、精度の良く角度検出を行うことができる。
【００４８】
トルク検出リング３１、補償リング３２及び角度検出リング２２はいずれも同じ外径を有しており、ステアリングシャフトを同軸としてその同軸上に並設されている。非磁性部材２８，２９，３０はいずれも同じ径を有しており、トルク検出リング３１，補償リング３２及び角度検出リング２２の並列体を同軸としてその同軸上に配置されている。トルク検出コイル９，補償コイル１０，角度コイル１１はいずれもリング状に形成されたものであり、非磁性部材２８，２９，３０の並列体を同軸としてその同軸上に一体に配置されている。
【００４９】
本発明の第３実施例を図７，図８に基づいて説明する。本実施例は、角度・トルクセンサ３の操舵軸方向の長さを短くする例である。入力軸１と出力軸２との間には、操舵軸方向の一方側から第１のトルク検出コイル３４，トルク用磁路形成部３５，第２のトルク検出コイル３６，角度用磁路形成部３７及び角度検出コイル３８の順にステアリングシャフト上に近接して並設されている。第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６は、その外周部（トルク用磁路形成部３５と操舵軸方向に対向する側面の部分を除く部分）を覆う磁性部材１５と、トルク用磁路形成部３５から構成される磁気回路の変化をインダクタンスの変化として検出するリング状の検出素子である。
【００５０】
トルク用磁路形成部３５は、円盤状の出力側非磁性体３５ａ，円盤状の入力側非磁性体３５ｂ，歯車状のトルク検出リング５０及び中空短円柱状のトーションバー取付部５１から構成されている。トルク検出リング５０は、その外周面に凸部と凹部とが周方向に交互に複数形成された磁性部材であり、操舵軸方向に対向する出力側非磁性体３５ａと入力側非磁性体３５ｂとの間に配置され、出力軸２に固定されて出力軸２と一体に回転する。出力側非磁性体３５ａ，入力側非磁性体３５ｂ及びトーションバー取付部５１は入力軸１に固定されて入力軸１と一体に回転する。入力軸１及と出力軸２は、トーションバー取付部５１の内部で、図示省略したトーションバーにより接続されている。これにより、入力軸１と出力軸２との間には操舵トルクの大きさに応じて相対的な回転角度差が生じる。出力側非磁性体３５ａの外周部には、操舵軸方向の一方側から他方側に貫通し、トルク検出リング５０の複数の凸部のそれぞれと対応するように複数の矩形状の開口部３５ｃが形成されている。入力側非磁性体３５ｂの外周部には、操舵軸方向の一方側から他方側に貫通し、トルク検出リング５０の複数の凸部のそれぞれと対応するように複数の矩形状の開口部３５ｄが形成されている。
【００５１】
本実施例では、操舵トルクが０の時、出力側非磁性体３５ａの開口部３５ｃと入力側非磁性体３５ｂの開口部３５ｄから、トルク検出リング５０の凸部がそれぞれ１／２ずつ露出するように、出力側非磁性体３５ａと入力側非磁性体３５ｂとの周方向の相対的な位置をずらして配置している。すなわち操舵トルクが０の時、同一面上における出力側非磁性体３５ａの開口部３５ｃの中心軸から入力側非磁性体３５ｂの開口部３５ｄの中心軸までの周方向のピッチがトルク検出リング５０の凸部の周方向の距離と等しい。従って、操舵トルクが０の時、第１のトルク検出コイル３４の磁気回路を構成するトルク検出リング５０の面積と第２のトルク検出コイル３６の磁気回路を構成するトルク検出リング５０の面積が同じになるので、第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６のインダクタンスは同じ値になる。
【００５２】
正操舵トルクの場合、第１のトルク検出コイル３４から出力側非磁性体３５ａの開口部３５ｃをとおして見えるトルク検出リング５０の凸部の表面積は増加する。一方、第２のトルク検出コイル３６から入力側非磁性体３５ｂの開口部３５ｄをとおして見えるトルク検出リング５０の凸部の表面積は減少する。この時、第１のトルク検出コイル３４のインダクタンスは大きくなり、第２のトルク検出コイル３６のインダクタンスは小さくなる。操舵トルクを増加して、出力側非磁性体３５ａの開口部３５ｃの全面にトルク検出リング５０の凸部が見える時、第１のトルク検出コイル３４のインダクタンスは最大になる。この時、入力側非磁性体３５ｂの開口部３５ｄをとおして見えるトルク検出リング５０の凸部の表面積は最小或いは０になる。すなわち第２のトルク検出コイル３６のインダクタンスは最小となる。負操舵トルクの場合、正操舵トルクの場合とは逆になるので、第１のトルク検出コイル３４のインダクタンスは減少し、第２のトルク検出コイル３６のインダクタンスは増加する。従って、第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６の出力からその差を検出することにより、操舵トルクを求めることができる。
【００５３】
舵角は角度用磁路形成部３７，角度検出コイル３８により検出している。角度用磁路形成部３７は、開口部のない円盤状の非磁性体３７ａ，操舵軸方向の一方側から他方側に貫通する半リング状の開口部３７ｃを有するリング状の非磁性体３７ｂ，半径の大きい半円状の磁性体（凸部）と半径の小さい半円状の磁性体（凹部）とを組み合わせたリング状の角度検出リング６０、及び角度検出リング６０の内周側に設けられ、サンギア１２，プラネタリーギア１３及びリングギア１４からなる遊星歯車機構から構成されている。
【００５４】
非磁性体部３７ｂは固定され、回転しない構造になっている。角度検出リング６０は入力軸１の回転を遊星歯車機構により１／８に減速して回転する構造になっている。尚、遊星歯車機構は、入力軸に接続されたサンギア１２，サンギア１２の回転をリングギアに伝達するプラネタリーギア１３及び角度検出リング６０と一体になったリングギア１４から構成されているが、複数のプラネタリーギア１３の回転中心はいずれも固定されたキャリア３９に接続されていることが必要である。尚、本明細書でこれまで述べてきた遊星歯車機構も、固定されたキャリアを持っていることを前提としている。従って、遊星歯車機構を減速機構として利用することができる。
【００５５】
入力軸１が回転すると、角度検出リング６０が減速されて回転し、非磁性体３７ｂの開口部３７から見える角度検出リング６０の半円状の磁性体（凸部）の表面積が変化する。これにより、角度検出コイル３８のインダクタンスが変化するので、ステアリングホイール１６の舵角を計測することができる。
【００５６】
図９は本実施例の角度・トルクセンサにおける検出回路の構成を示す。発振器２０から各コイルに高周波電圧を印加することは図３に示した方法と同じである。第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６のインダクタンスをそれぞれインダクタンス５２，５３に示す。第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６の出力信号（電圧信号）は差動増幅器２４に入力される。差動増幅器２４は第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６の出力信号の差から操舵トルクを検出し、これに応じた出力信号を出力する。差動増幅器２４の出力信号は出力増幅器２５で増幅され、操舵トルクτとしてモータのコントロールに出力される。本実施例では、第１のトルク検出コイル３４及び第２のトルク検出コイル３６の出力差から操舵トルクを検出しているので、周囲温度の影響などを除去する機能を兼ね備えている。
【００５７】
第１及び第２のトルク検出コイル３４，３６のインダクタンス５２，５３の出力を平均化するために、平均値回路５５にそれぞれの出力を入力している。前述したように操舵トルクが変化すると、一方のインダクタンスは増加し、他方のインダクタンスは減少する。従って、その平均値は常に同じ値となり、出力信号は周囲の環境状態による変化だけから影響を受けることになる。本実施例では、平均値回路５５の出力を補償信号として、差動増幅器２６に入力している。差動増幅器２６では、角度検出コイル３８のインダクタンス５４の出力信号と補償信号とに基づいて舵角を検出し、これに応じた出力信号を出力する。差動増幅器２６の出力信号は出力増幅器２７で増幅され、舵角θとしてモータのコントロールに出力される。
【００５８】
以上説明した本実施例によれば、専用の補償コイルを用いることなく、舵角の温度補償などを行うことができ、前例よりも安価でよりコンパクトな角度・トルクセンサを構成することができる。特に運転席内の空間を利用する電動パワーステアリング装置には最適である。
【００５９】
本発明の第４実施例を図１０乃至図１３に基づいて説明する。本実施例は角度・トルクセンサの舵角中心の角度検出精度を向上させる例である。図７の実施例と異なる点は、舵角を検出するために用いられる第１の角度検出コイル６２，第２の角度検出コイル３８、及び角度用磁路形成部６３を備えた点、トルクセンサと角度センサとの間の干渉を防止するための干渉防止用非磁性体６１を設けた点にあり、以下、それらについて説明する。尚、第２の角度検出コイル３８は図７の実施例における角度検出コイル３８と同一の構成要素であるが、検出される出力信号の発生状態が異なる。第２のトルク検出コイル３６及び第１の角度検出コイル６２は、それぞれコイルの外周部に磁気回路を構成する磁性部材１５を有している。このため、それらの間に干渉防止用非磁性体６１を介在させ、磁気干渉を防止するように配慮している。
【００６０】
角度用磁路形成部６３は、入力軸１から伝達された回転を遊星歯車減速機構により１／６に減速して回転する角度検出リング６４，固定された第１の非磁性体６３ａ及び固定された第２の非磁性体６３ａから構成されている。それらを軸方向から見た平面図を図１２に示す。角度検出リング６４は小さな半径の円状構造体６４ａに加えて、半径が大きい角度１１０°の扇状の構造体６４ｂを有している。角度検出リング６４において、小さな半径の円状構造体６４ａよりも外側の扇状の構造体６４ｂは磁性体である。
【００６１】
第１の非磁性体６３ａは円周９０°の範囲で円弧状の開口部６３ｃを有している。第２の非磁性体６３ｂは円周９０°の範囲で円弧状の開口部６３ｄを有している。開口部６３ｃ，６３ｄは操舵軸方向の一方側から他方側に貫通するものである。入力軸１の回転に従って回転する角度検出リング６４の角度により、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積と第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積が異なる。
【００６２】
ここで、舵角（横軸）に対するインダクタンスの大きさ（縦軸）の関係を示す図１３の特性図を用いて詳細に説明する。尚、ここでは、開口部から見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積が最大のとき、インダクタンスは最大となり、開口部から見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積が０になると、インダクタンスは最小になることを基本として説明する。角度検出リング６４の角度が０の時、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積及び第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積はいずれも面積比５５／９０（角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの見える面積／第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃ或いは第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄの面積）で同じである。このため、第１の角度検出コイル６２及び第２の角度検出コイル３８のインダクタンスは一致している。
【００６３】
角度検出リング６４の角度が０°から正方向に大きくなると、第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄから見える検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積は増加し、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積は減少する。角度検出リング６４の角度が３５°になると、角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂは第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄ全体、つまり面積比１００％（９０／９０）で見ることができる。従って、第２の角度検出コイル３８のインダクタンスは最大となる。このとき、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃから見える角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂの面積は面積比で２０／９０となる。
【００６４】
さらに、角度検出リング６４の角度が５５°まで大きくなると、第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄからは１００％の面積比、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃからは０％の面積比でそれぞれ角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂを見ることになる。この時、第２の角度検出コイル３８のインダクタンスは最大となり、第１の角度検出コイル６２のインダクタンスは最小となる。角度検出リング６４の角度がそれ以上になると、第１の角度検出コイル６２のインダクタンスは最小のままで、第２の角度検出コイル３８のインダクタンスは徐々に低下していく。最終的に角度検出リング６４の角度が１４５°になると、第１の非磁性体６３ａの開口部６３ｃ及び第２の非磁性体６３ｂの開口部６３ｄのいずれからも、角度検出リング６４の扇状の構造体６４ｂは見ることができなくなり、インダクタンスは第１の角度検出コイル６２及び第２の角度検出コイル３８とも最小になる。
【００６５】
角度検出リング６４の角度が負の場合も同様に、第１の角度検出コイル６２及び第２の角度検出コイル３８のインダクタンスは変化する。尚、角度検出リング６４の角度が＋１４５°，−１４５°であるとき、舵角はその６倍、すなわち＋８７０°，−８７０°となる。図１３の特性図はそのような関係をもっている。
【００６６】
実際に検出する信号は第２の検出コイル３８と第１の検出コイル６２との出力差であるので、図１３の特性図に示すよう、にインダクタンスの差（Ｌ２−Ｌ１）に対応していると考えてよい。図１３の特性図から明らかなように、舵角が正の時、インダクタンスの差（Ｌ２−Ｌ１）は常に正である。また、角度検出リング６４の角度が５５°まではインダクタンスの差（Ｌ２−Ｌ１）は単調増加しており、角度検出リング６４の角度が５５°の時、最大値となる。それ以上の角度の時は、インダクタンスの差（Ｌ２−Ｌ１）は徐々に減少し、第１の角度検出コイル６２のインダクタンスＬ１は最小のままである。これにより、角度検出リング６４の角度が５５°より大きいと判断することができる。角度が負の場合も同様である。このように演算することにより、絶対角度として舵角を１７４０°の範囲で検出することができる。
【００６７】
また、図１３の特性図によれば、角度検出リング６４角度に対するインダクタンスの差（Ｌ２−Ｌ１）の変化は角度検出リング６４の角度が±３５°の範囲で最も大きい。従って、検出角度の信号変化は舵角中心付近で最も大きく、その分解能を向上することになる。電動パワーステアリング装置では、走行中にステアリングホイールから手を離すと、自動的にタイヤが舵角中心の方向を向くように制御する必要があり、本実施例ではその精度を向上できる利点がある。また、ここで用いた検出用コイルはトルク検出用と角度検出用ではあるが、同一形状のコイルを使用することができるので、部品種類を低減することができ、低コスト化に貢献することができる。
【００６８】
以上、本発明の実施例では、トルクセンサと角度センサを一体にしたコンパクトな電動パワーステアリング用センサについて述べた。また、補償コイルをトルクセンサと角度センサに兼用する方法について、本発明の実施例では、電子回路でアナログとして処理しているが、マイクロコンピュータでのソフト処理で実施しても良い。複数の実施例について述べたが、これらを組み合わせて、信頼性の向上を図ることもできる。さらに、本発明の実施例で述べたセンサは、複数回転する絶対角度を検出する必要がある通常の角度センサとしても有効である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、簡単な構造で、絶対角度としての舵角を精度良く検出することができる角度センサを提供することができる。また、本発明によれば、簡単な構造で、操舵トルクと舵角をそれぞれ精度良く検出することができるセンサ及びこれを備えた電動パワーステアリングを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の角度・トルクセンサの構成を示す斜視図である。
【図２】図１の分解斜視図である。
【図３】図１の角度・トルクセンサにおける検出回路の構成を示す回路図である。
【図４】図１の角度・トルクセンサをステアリング用センサとして電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２実施例の角度・トルクセンサの構成を示す斜視図である。
【図６】図５の分解斜視図である。
【図７】本発明の第３実施例の角度・トルクセンサの構成を示す斜視図である。
【図８】図７の分解斜視図である。
【図９】図８の角度・トルクセンサにおける検出回路の構成を示す回路図である。
【図１０】本発明の第４実施例の角度・トルクセンサの構成を示す斜視図である。
【図１１】図１０の分解斜視図である。
【図１２】図１１の角度検出リング，第１及び第２の非磁性体を軸方向から見た平面図である。
【図１３】図１０の舵角に対するインダクタンスの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１…入力軸、２…出力軸、３…角度・トルクセンサ、４…出力軸検出リング、５…トーションバー、６…入力軸検出リング、７，３２…補償リング、８，３３，６０，６４…角度検出リング、９，３４，３６…トルク検出コイル、１０…補償コイル、１１，３８，６２…角度検出コイル、１２…サンギア、１３…プラネタリーギア、１４…リングギア、１５…磁性部材、１６…ステアリングホイール、１７…コントローラ、１８…モータ、１９ａ，１９ｂ…タイヤ、２０…発振器、２１，２２，２３，５２，５３，５４…インダクタンス、２４，２６…差動増幅器、２５，２７…出力増幅器、２８，２９，３０，６３ａ，６３ｂ…非磁性体、３１，５０…トルク検出リング、３５…トルク用磁路形成部、３７…角度用磁路形成部、３９…キャリア、５１…トーションバー取付部、５５…平均値回路、６１…干渉防止用非磁性体。
Claims (20)
- 回転軸から伝達された回転を減速させる減速機構と、該減速機構の減速軸の回転角度によりインダクタンスを変化させる可変インダクタンス機構と、前記インダクタンスの変化を検出する検出コイルと、該検出コイルの出力から前記回転軸の角度を検出する回路とを有することを特徴とする角度センサ。
- 請求項１において、前記減速軸の回転角度に対する前記可変インダクタンス機構によるインダクタンスの変化が前記減速軸の回転角度０近傍で最大であることを特徴とする角度センサ。
- 請求項１において、前記減速機構は、サンギア，プラネタリーギア及びリングギアから構成された遊星ギアであることを特徴とする角度センサ。
- 請求項１において、前記減速機構の減速比が１／４から１／１０であることを特徴とする角度センサ。
- トルクによりねじれるトーションバーの入力軸と出力軸との相対角度を検出するために設けられた機構による状態量の変化を検出するトルク検出コイルと、前記入力軸或いは前記出力軸から伝達され、減速機構により減速された回転で回転する減速軸の回転角度を検出するために設けられた機構による状態量の変化を検出する角度検出コイルと、前記トルク検出コイルの出力から前記相対角度を検出して前記トルクを検出する回路と、前記角度検出コイルの出力から前記回転角度を検出する回路とを有することを特徴とする角度・トルクセンサ。
- 請求項５において、前記減速機構は、サンギア，プラネタリーギア及びリングギアから構成された遊星ギアであることを特徴とする角度・トルクセンサ。
- 請求項５において、前記減速機構の減速比が１／４から１／１０であることを特徴とする角度・トルクセンサ。
- 請求項５において、前記検出コイルは同一形状であることを特徴とする角度・トルクセンサ。
- 請求項５において、前記トルク検出コイルの出力及び前記角度検出コイルの出力或いはそれらのうちの一方の出力を補償する補償手段を有することを特徴とする角度・トルクセンサ。
- 請求項５において、前記トルク検出コイルは第１及び第２の検出コイルを備えてなり、前記角度検出コイルは第３及び第４の検出コイルを備えてなり、前記トルク検出回路は前記第１及び第２の検出コイルの出力差により前記相対角度を検出して前記トルクを検出し、前記回転角度検出回路は前記第３及び第４の検出コイルの出力差により前記回転角度を検出し、前記第１乃至第４の検出コイルは同軸上に一体に配置されていることを特徴とする角度・トルクセンサ。
- 請求項９において、前記補償手段は、前記トルク検出コイルの出力及び前記角度検出コイルの出力を補償する補償信号を得るために設けられた機構によって決まる状態量を検出する補償コイルと、該補償コイルの出力から前記補償信号を生成して出力する補償回路とを備えてなることを特徴とする角度・トルクセンサ。
- 請求項９において、前記トルク検出コイルは第１及び第２の検出コイルを備えてなり、前記トルク検出回路は前記第１及び第２の検出コイルの出力差から前記トルクを検出し、前記補償手段は、前記第１及び第２の検出コイルの出力平均値から補償信号を生成して前記角度検出コイルの出力を補償する補償回路であることを特徴とする角度・トルクセンサ。
- 請求項１１において、前記トルク検出コイルは、前記入力軸に配置された検出リングと前記出力軸に配置された検出リングとの相対角度により変化するインダクタンスの変化を検出し、前記補償コイルは、固定された補償リングと前記入力軸検出リング或いは前記出力軸検出リングとにより決定されるインダクタンスを検出し、前記角度検出コイルは、前記減速軸に配置された減速軸検出リングと前記補償リングとの相対角度により変化するインダクタンスの変化を検出することを特徴とする角度・トルクセンサ。
- 請求項１１において、前記トルク検出コイルは、前記入力軸に配置された検出リングと前記出力軸に配置された検出リングとの相対角度により変化するインダクタンスの変化を検出し、前記補償コイルは、補償リングにより決定されるインダクタンスを検出し、前記角度検出コイルは、固定されたリングと前記減速軸に配置された減速軸検出リングとの相対角度により変化するインダクタンスの変化を検出することを特徴とする角度・トルクセンサ。
- 請求項１２において、前記第１及び第２の検出コイルは、前記入力軸と前記出力軸にそれぞれ配置された入力軸検出リングと出力軸検出リングの相対角度により変化するインダクタンスを検出し、前記角度検出コイルは、固定されたリングと前記減速軸に配置された減速軸検出リングとの相対角度により変化するインダクタンスを検出することを特徴とする角度・トルクセンサ。
- ステアリングの回転軸を駆動するモータと、前記回転軸上に取り付けられて操舵トルクによりねじれるトーションバーの入力軸と出力軸との相対角度から前記操舵トルクを検出するために設けられた機構による状態量の変化を検出するトルク検出コイル、前記入力軸或いは前記出力軸から伝達され、減速機構により減速された回転から舵角を検出するために設けられた機構の状態量の変化を検出する角度検出コイル、前記トルク検出コイルの出力から前記相対角度を検出して前記操舵トルクを検出する回路、前記角度検出コイルの出力から前記舵角を検出する回路を備えてなるステアリング用センサと、該ステアリング用センサで検出された前記操舵トルク及び前記舵角により前記モータを制御する制御装置とを有することを特徴とする電動パワーステアリング。
- 請求項１６において、前記トルク検出コイルの出力及び前記角度検出コイルの出力或いはそれらのうちの一方の出力を補償する補償手段を有することを特徴とする電動パワーステアリング。
- 請求項１６において、前記トルク検出コイルは第１及び第２の検出コイルを備えてなり、前記角度検出コイルは第３及び第４の検出コイルを備えてなり、前記操舵トルク検出回路は前記第１及び第２の検出コイルの出力差により前記相対角度を検出して前記操舵トルクを検出し、前記舵角検出回路は前記第３及び第４の検出コイルの出力差により前記舵角を検出し、前記第１乃至第４の検出コイルは同軸上に一体に配置されていることを特徴とする電動パワーステアリング。
- 請求項１７において、前記補償手段は、前記トルク検出コイルの出力及び前記角度検出コイルの出力を補正する補償信号を得るために設けられた機構によって決まる状態量を検出する補償コイルと、該補償コイルの出力から前記補償信号を生成して出力する補償回路とを備えてなり、前記制御装置は、前記補償手段によって補正された前記操舵トルク及び前記舵角により前記モータを制御することを特徴とする電動パワーステアリング。
- 請求項１７において、前記トルク検出コイルは第１及び第２の検出コイルを備えてなり、前記トルク検出回路は前記第１及び第２の検出コイルの出力差から前記回転トルクを検出し、前記補償手段は、前記第１及び第２の検出コイルの出力平均値から補償信号を生成して前記角度検出コイルの出力を補償する補償回路であり、前記制御装置は、前記操舵トルク及び前記補償手段によって補正された前記舵角により前記モータを制御することを特徴とする電動パワーステアリング。
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