JP2007263873A - 磁歪式トルクセンサと、この磁歪式トルクセンサを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク検出信号でゲイン減衰や位相遅れを生じない磁歪式トルクセンサと、操舵フィーリングを良好にできる電動パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】磁歪式トルクセンサ２０は、ステアリング軸に設けられ、印加トルクに応じて磁気特性が変化する磁歪膜２０ｂ，２０ｃと、磁歪膜の周囲に配置され、磁気特性の変化に感応するコイル２０ｅ，２０ｆと、コイルに直列に接続された抵抗素子２０ｄ，２０ｇと、コイルと抵抗素子で形成する直列回路に周期的に電圧を印加する電圧印加部５２と、コイルの端子電圧の変化を取り出す端子と、コイルの端子電圧の変化の位相を反転させる位相シフト部５５，５６と、上記端子での電圧変化と位相シフト部の出力端での電圧変化とを交互に選択して出力する選択部５７，５８と、選択部から出力される電圧信号を平滑して直流電圧を出力する平滑部６３，６４と備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、磁歪膜の周囲に設けられたコイルのインダクタンスの値の変化に基づいて印加トルクを検出する磁歪式トルクセンサと、この磁歪式トルクセンサを用いた電動パワーステアリング装置に関する。

電動パワーステアリング装置では、機械的に構成された操舵装置に対して補助力発生用モータを付設し、モータから供給する回転トルクを制御装置を用いて制御することにより、運転者の操舵トルクを軽減している。従来の電動パワーステアリング装置は、ステアリングホイールに連結されたステアリング軸に、操舵トルクを検出するための操舵トルク検出部（トルクセンサ）が設けられている。操舵トルク検出部の検出値は、制御装置に対し、モータに適切な補助操舵トルクを発生させるための信号として供給される。

上記の操舵トルク検出部としては、従来、トーションバーの捻れを利用するトーションバー式トルクセンサが主流である。近年では磁歪式トルクセンサも知られている。磁歪式トルクセンサの一例としては、ステアリングホイールに連結されたステアリング軸の表面に例えばＮｉ−Ｆｅメッキめっきのごとき磁歪膜を上下２箇所に設ける。２箇所の磁歪膜は、逆方向の磁気異方性となるように、軸方向所定幅で設けられる。ステアリング軸に操舵トルクが印加されたとき、磁歪膜での磁気異方性に基づいて発生する磁歪特性の変化を、磁歪膜の周囲に配設されたコイルにより検知する。このような磁歪式トルクセンサは、例えば特許文献１や特許文献２で開示されている。

特許文献１と特許文献２で開示された磁歪式トルクセンサでは、ステアリング軸の表面に形成した２つの磁歪膜のそれぞれに励磁コイルと検出コイルを設けた構成である。励磁コイルを必要とする磁歪式トルクセンサの他に、検出コイルのみを使用し、検出コイルのインダクタンスの変化によりトルクを検出する方式もある（例えば、特許文献３と特許文献４を参照）。

特許文献３で開示される磁歪式トルクセンサでの検出回路は、ステアリング軸の表面に形成された磁歪膜の周囲のコイルと、コイルに直列に抵抗素子とスイッチング素子が接続されている。コイルに対しては所要電圧を印加する電源が設けられている。さらに、抵抗素子とコイルとの間の接続部には、出力信号の最低値を保持するボトムホールド回路が接続されている。

さらに特許文献４には、上記方式を改良した磁歪式トルクセンサが開示されている。この磁歪式トルクセンサでも、磁歪膜の周囲に配置されたコイルと、このコイルに直列に抵抗素子およびスイッチング素子とが接続されている。
特開２００１−１３３３３７公報 特開２００２−１６８７０６公報 特開２００２−７１４７６公報 特開２００５−３２１３１６公報

従来の特許文献４等で開示される磁歪式トルクセンサでは、スイッチング素子のオン・オフ周波数は例えば約３０ｋＨｚという高い周波数である。このため、磁歪膜の磁気特性の変化に感応するコイルの端子から取り出される電圧信号の変化の周波数も約３０ｋＨｚとなる。その結果、ピークホールド回路の検出周期は、約３０ｋＨｚの逆数という短い周期となる。しかし、通常、使用されるピークホールド回路の周波数特性は、３０ｋＨｚという周波数領域ではゲインが減衰し、位相遅れも大きくなる。磁歪式トルクセンサの出力信号における位相遅れが大きいと、電動パワーステアリング装置の制御が不安定になり、操舵を補助するアシスト出力が振動的になる。この結果、操舵トルクが振動的になり、操舵フィーリングを不良にするという問題が提起される。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、従来装置で使用されたピークホールド回路の周波数特性による影響を受けず、トルク検出信号でゲインの減衰や位相遅れを生じることなく、回転軸に印加されたトルクを安定して検出できる磁歪式トルクセンサと、この磁歪式トルクセンサを用いることによって操舵フィーリングを良好にすることができる電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明に係る磁歪式トルクセンサと電動パワーステアリング装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。

第１の磁歪式トルクセンサ（請求項１に対応）は、回転軸に設けられ、印加されるトルクに応じて磁気特性が変化する磁気特性変化部（磁歪膜）と、磁気特性変化部の周囲に配置され、磁気特性の変化に感応するコイルと、コイルに直列に接続された抵抗素子と、コイルと抵抗素子で形成する直列回路に周期的に電圧を印加する電圧印加手段と、コイルの端子電圧の変化を取り出す端子と、コイルの端子電圧の変化の位相を反転させる位相シフト手段と、上記端子での電圧変化と位相シフト手段の出力端での電圧変化とを交互に選択して出力する選択手段と、選択手段から出力される電圧信号を平滑して直流電圧を出力する平滑手段と備えるように構成される。

第１の磁歪式トルクセンサによれば、回転軸に形成された磁気特性変化部が回転軸に印加されたトルクに応じてその磁気特性が変化するとき、磁気特性の変化をコイルの端子電圧の変化として取り出すことができる。コイルの端子電圧は、周期的に電圧を印加する電圧印加手段によって周期的な電圧信号として取り出される。この電圧信号における波形がオン動作に対応して立ち上がるとき、その波形の立ち上がり状態は回転軸に印加されるトルクに応じて変化する。最終的に印加トルクに応じた直流電圧信号は、コイルの周期的な端子電圧信号とこれを反転させた周期的電圧信号と交互に選択して合成した電圧信号を平滑手段で平滑することにより得られる。平滑手段から出力される電圧信号は、磁気特性変化部の磁気特性の変化に感応するコイルのインダクタンスの値の変化に応じた信号である。

第２の磁歪式トルクセンサ（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、磁気特性変化部は回転軸に２つ設けられ、２つの磁気特性変化部のそれぞれに対して、個別に、上記のコイル、抵抗素子、電圧印加手段、端子、位相シフト手段、選択手段、平滑手段を備えると共に、２つの平滑手段のそれぞれから出力する２つの電圧信号の差を演算する演算手段を備えるように構成される。この構成では、２つの磁気特性変化部の各々の演算手段から出力される電圧信号の電圧値の差を演算することにより、回転軸に印加されたトルクに応じた電圧値を得ることが可能となる。その電圧値が後段のサンプルホールド回路に入力される。このサンプルホールド回路は、従来のボトムホールド回路とは異なり、動作周波数特性に依存せず、安定した印加トルクの検出を可能にする。

第３の磁歪式トルクセンサ（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、抵抗素子は回転軸の周囲に配置されたコイルであり、磁気特性の変化に感応する少なくとも１つのコイルと抵抗素子として作用する少なくとも１つのコイルの各々の回転軸での巻き方向は同一であることで特徴づけられる。
また第４の磁歪式トルクセンサ（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、電圧印加手段は、定電圧源と、この定電圧源に接続されたスイッチング素子からなることで特徴づけられる。

本発明に係る電動パワーステアリング装置（請求項５に対応）は、ステアリング軸にトルクを印加するモータと、ステアリング軸に印加された操舵トルクを検出するトルク検出手段と、トルク検出手段からの信号に応じてモータの目標電流を演算する目標電流演算手段と、モータを駆動する駆動手段とを備え、トルク検出手段に上記の第１から第４のいずれかの磁歪式トルクセンサを用いると共に、磁歪式トルクセンサの回転軸をステアリング軸と一致させることで特徴づけられる。

本発明に係る磁歪膜トルクセンサによれば、印加トルクに対応する信号値をホールドするためのホールド手段に入力される電圧信号は直流電圧信号になり、このため、ホールド手段を周波数特性の減衰域で使用することがなくなり、当該ホールド手段での位相遅れもなくなり、センサ出力信号の位相遅れがなくなり、回転軸に印加されたトルクを安定して検出することができる
さらに本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、上記特性を有する磁歪膜トルクセンサを用いることにより、制御の位相遅れがなくなり、制御が安定化し、滑らかなかつ良好な操舵フィーリングを得ることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る磁歪式トルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置の全体構成を示す。電動パワーステアリング装置１０は、ステアリングホイール１１に連結されるステアリング軸１２ａ等に対して補助用の操舵力（操舵トルク）を与えるように構成されている。ステアリング軸１２ａは、ステアリング軸１２ｂと、自在軸継手１２ｃを介して連結されており、ステアリング軸１２ａの上端はステアリングホイール１１に連結され、ステアリング軸１２ｂの下端にはピニオンギヤ１３が取り付けられている。ピニオンギヤ１３に対して、これに噛み合うラックギヤ１４ａを設けたラック軸１４が配置されている。ピニオンギヤ１３とラックギヤ１４ａによってラック・ピニオン機構１５が形成される。ラック軸１４の両端にはタイロッド１６が設けられ、各タイロッド１６の外側端には前輪１７が取り付けられる。上記ステアリング軸１２ｂに対し動力伝達機構１８を介してモータ１９が設けられている。動力伝達機構１８は、ウォームギヤ１８ａとウォームホイール１８ｂによって形成されている。モータ１９は、操舵トルクを補助する回転力（トルク）を出力し、この回転力を、動力伝達機構１８を経由して、ステアリング軸１２ｂ，１２ａに与える。またステアリング軸１２ｂには操舵トルク検出部２０が設けられている。操舵トルク検出部２０は、運転者がステアリングホイール１１を操作することによって生じる操舵トルクをステアリング軸１２ａ，１２ｂに加えたとき、ステアリング軸１２ａ，１２ｂに加わる当該操舵トルクを検出する。２１は車両の車速を検出する車速検出部であり、２２はコンピュータで構成される制御装置である。制御装置２２は、操舵トルク検出部２０から出力される操舵トルク信号Ｔと車速検出部２１から出力される車速信号Ｖを取り入れ、操舵トルクに係る情報を車速に係る情報に基づいて、モータ１９の回転動作を制御する駆動制御信号ＳＧ１を出力する。上記のラック・ピニオン機構１５等は図１中で図示しないギヤボックスに収納されている。

上記において電動パワーステアリング装置１０は、通常のステアリング系の装置構成に対し、操舵トルク検出部２０、車速検出部２１、制御装置２２、モータ１９、動力伝達機構１８を付加することによって構成されている。

上記構成において、運転者がステアリングホイール１１を操作して自動車の走行運転中に走行方向の操舵を行うとき、ステアリング軸１２ａ，１２ｂに加えられた操舵トルクに基づく回転力はラック・ピニオン機構１５を介してラック軸１４の軸方向の直線運動に変換され、さらにタイロッド１６を介して前輪１７の走行方向を変化させようとする。このときにおいて、同時に、ステアリング軸１２ｂに付設された操舵トルク検出部２０は、ステアリングホイール１１での運転者による操舵に応じた操舵トルクを検出して電気的な操舵トルク信号Ｔに変換し、この操舵トルク信号Ｔを制御装置２２へ出力する。また、車速検出部２１は、車両の車速を検出して車速信号Ｖに変換し、この車速信号Ｖを制御装置２２へ出力する。制御装置２２は、操舵トルク信号Ｔ、車速信号Ｖに基づいてモータ１９を駆動するためのモータ電流を発生する。モータ電流によって駆動されるモータ１９は、動力伝達機構１８を介して補助操舵力をステアリング軸１２ｂ，１２ａに作用させる。以上のごとくモータ１９を駆動することにより、ステアリングホイール１１に加えられる運転者による操舵力が軽減される。

図２は、電動パワーステアリング装置１０の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す。ラック軸１４の左端部および右端部の一部は断面で示されている。ラック軸１４は、車幅方向（図２中左右方向）に配置される筒状ハウジング３１の内部に軸方向へスライド可能に収容されている。ハウジング３１から突出したラック軸１４の両端にはボールジョイント３２がネジ結合され、これらのボールジョイント３２に左右のタイロッド１６が連結されている。ハウジング３１は、図示しない車体に取り付けるためのブラケット３３を備えると共に、両端部にストッパ３４を備えている。

図２において、３５はイグニションスイッチ、３６は車載バッテリ、３７は車両エンジンに付設された交流発電機（ＡＣＧ）である。交流発電機３７は車両エンジンの動作で発電を開始する。制御装置２２に対してバッテリ３６または交流発電機３７から必要な電力が供給される。制御装置２２はモータ１９に付設されている。また３８はラック軸の移動時にストッパ３４に当たるラックエンドであり、３９はギヤボックスの内部を水、泥、埃等から保護するためのダストシール用ブーツである。

図３は図２中のＡ−Ａ線断面図である。図３では、ステアリング軸１２ｂの支持構造、操舵トルク検出部２０、動力伝達機構１８、ラック・ピニオン機構１５の具体的構成が明示される。

図３において、上記ギヤボックス２４を形成するハウジング２４ａにおいてステアリング軸１２ｂは２つの軸受け部４１，４２によって回転自在に支持されている。ハウジング２４ａの内部にはラック・ピニオン機構１５と動力伝達機構１８が収納され、さらに上部には操舵トルク検出部２０が付設されている。ハウジング２４ａの上部開口はリッド４３で塞がれ、リッド４３はボルトで固定されている。ステアリング軸１２ｂの下端部に設けられたピニオン１３は軸受け部４１，４２の間に位置している。ラック軸１４は、ラックガイド４５で案内され、かつ圧縮されたスプリング４６で付勢されピニオン１３側へ押さえ付けられている。動力伝達機構１８は、モータ１９の出力軸に結合される伝動軸４８に固定されたウォームギヤ１８ａとステアリング軸１２ｂに固定されたウォームホイール１８ｂとによって形成される。操舵トルク検出部２０はリッド４３に取り付けられている。

上記したように操舵トルク検出部２０は、ステアリング・ギヤボックス２４内に設けられており、ステアリング軸１２ｂに作用する操舵トルクを検出し、その検出値は制御装置２２へ入力されて、モータ１９に適切な補助操舵トルクを発生させるための基準信号として供給される。

ここで用いられる操舵トルク検出２０は磁歪式トルクセンサである。以下では、「磁歪式トルクセンサ２０」という。図３に示すように、ステアリングホイール１１からステアリング軸１２ａ、自在軸継手１２ｃを介して連結されたステアリング軸１２ｂの表面に例えばＮｉ−Ｆｅめっきのごとき磁気異方性を有する磁歪膜を上下２箇所（２０ｂおよび２０ｃ）でそれぞれ逆方向の異方性となるように軸方向所定幅で設け、磁歪膜２０ｂ，２０ｃに操舵トルクが作用したときに発生する逆磁歪特性を、磁歪膜２０ｂ，２０ｃの周囲に配設されたコイル２０ｄ，２０ｅの交流抵抗等を利用して検知するものである。また、コイル２０ｆ，２０ｇは、抵抗素子として用いるコイルである。

次に、本発明の実施形態に係る磁歪式トルクセンサ２０について詳細に説明する。この磁歪式トルクセンサ２０は、図３に示されるように磁性材からなるステアリング軸１２ｂの周囲面で２箇所に磁歪膜２０ｂ，２０ｃが設けられ、ステアリング軸１２ｂに設けられた磁歪膜の磁化の変化を検出するコイル２０ｄ，２０ｅと２０ｆ，２０ｇが設けられている。また、検出コイル２０ｄ，２０ｅの外周にはヨーク部２０ｈが設けられている。

図４は、磁歪式トルクセンサ２０の回路構成を示す。磁歪式トルクセンサ２０は、ステアリング軸１２ｂの２箇所にそれぞれ逆の磁気異方性を持つように磁歪膜２０ｂ，２０ｃが形成されている。これら磁歪膜２０ｂ，２０ｃは、ステアリング軸１２ｂにトルクが印加されると、そのトルクに応じて磁気特性が変化する磁気特性変化部として作用する。この回路では、ステアリング軸１２ｂにトルクが印加されたときの磁歪膜２０ｂ，２０ｃの磁化の変化に感応し、この磁化変化をインダクタンスの変化として検出するコイル２０ｄ，２０ｅが磁歪膜の周囲に設けられている。またこの回路では、コイル２０ｄ，２０ｅに対してそれぞれ直列に接続されたコイル２０ｆ，２０ｇ（以下「抵抗素子２０ｆ，２０ｇ」ともいう）が設けられる。さらに、コイル２０ｄ，２０ｅと抵抗素子２０ｆ，２０ｇで形成する２つの直列回路から成るブリッジ回路に対して所定周期で電圧を印加するための、スイッチング素子５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄとこれらに接続された定電圧源５１とから成る電圧印加部５２が設けられている。

また、図４に示した回路構成では、コイル２０ｄ，２０ｅのそれぞれの両端の電圧（端子電圧）の変化を検出するため、抵抗素子２０ｆ，２０ｇとコイル２０ｄ，２０ｅの各接続部に検出端子５３，５４を設けている。さらに、コイル２０ｄ，２０ｅのそれぞれの両端の電圧変化の位相を反転（１８０°シフト）させる位相シフト部５５，５６を設けている。検出端子５３，５４から取り出される電圧信号と、位相シフト部５５，５６の出力端から取り出される電圧信号を、交互に選択して出力する選択部５７，５８を設けている。選択部５７は、固定側の検出用端子５３，５５ａを交互に選択する選択子５９（例えばマルチプレクサ）を備える。また選択部５８は、同様に、検出用端子５４，５６ａを選択する選択子６０を備える。

また選択部５７の次段にはフィルタ６１が設けられる。フィルタ６１は、選択部５７から出力される電圧信号に含まれるノイズをカットすると共に当該電圧信号の変化を平滑する働きを有する。フィルタ６１は、その入力段に、選択部５７から出力される電圧信号の変化を平滑して直流電圧を出力する平滑部６３を備えている。同様に、選択部５８の次段には、その出力電圧信号に含まれるノイズをカットする共に当該出力電圧信号の変化を平滑するフィルタ６１が設けられる。フィルタ６１の入力段には選択部５８からの出力電圧信号の変化を平滑して直流電圧を出力する平滑部６４を備える。フィルタ６１，６２の次段には、フィルタ６１，６２の各増幅器６１ａ，６２ａから出力される２つの直流電圧の差を演算する演算部６５を備えている。

演算部６５の後段には、演算部６５からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部６６と、ＡＤ変換部６６からのデジタル信号をホールドするサンプルホールド回路６７と、サンプルホールド回路６７から出力される信号をトルク値に変換する電圧−トルク変換部が設けられている。

上記の電気回路の構成でのコイル２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ（なおコイル２０ｆ，２０ｇは抵抗素子としても作用する）は、図５に示すように、実際のステアリング軸１２ｂの周囲に巻設されている。図５に示されるように、電源端子７０からの配線７１はコイル２０ｄの一端に接続され、コイル２０ｄの他端からの配線７２はコイル２０ｆの一端に接続され、コイル２０ｆの他端からの配線７３は他の電源端子７４に接続される。また、接続点７５は配線７６によりＶＳ１の端子に接続されている。さらに電源端子７０からの配線７７はコイル２０ｅの一端に接続され、コイル２０ｅの他端からの配線７８はコイル２０ｇの一端に接続され、コイル２０ｇの他端からの配線７９は、電源端子７４に接続されている。また、接続点８０はＶＳ２の端子に接続されている。このようにコイル２０ｄ〜２０ｇの各々は、ステアリング軸１２ｂの長手方向に発生する磁界Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４の方向が全て一致するように、それらの巻き線方向が設定されている。ステアリング軸１２ｂの周囲に巻設されるコイル２０ｄ〜２０ｇの各々の巻き方向は同じとなるように設定される。なお電源端子７０，７４には前述した電圧印加部５２によって所定周期の交流電圧が供給される。

図５で示したコイルの配置と配線では、スイッチング素子をオンしたときに、各コイルがステアリング軸１２ｂの長手方向に発生する磁束（磁界Ｈ１〜Ｈ４）の方向（矢印Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）が全て一致するように、コイルの巻き線方向を設定しているため、ステアリング軸１２ｂの全体に各コイルの発生する磁界の合算磁界（矢印Ｆ）をかけることが可能となる。これにより、磁歪膜２０ｂ，２０ｃに対して均一な強い磁界をかけることが可能となり、ヒステリシスが低減し、ハンドルを切ってから戻したときに、磁歪式トルクセンサのヒステリシスにより、アシストが減少せずにハンドル戻りが悪化することが生じなくなり、滑らかな操舵フィーリングを安定して得ることができる。

次に、図６と図７を参照して、上記のように構成された磁歪式トルクセンサ２０の動作を説明する。図６は図５を簡略して示した等価回路を示し、図７は図６の回路での各箇所での電圧変化を示している。図６の示した電気回路において、スイッチング素子５０Ａとスイッチング素子５０Ｂは所定の周期でオン・オフ動作する。スイッチング素子５０Ａとスイッチング素子５０Ｂは、定電圧源５１におけるブリッジ回路を構成する４つのスイッチング素子５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄによって作られる。

一方の磁歪膜２０ｃに対する検出回路について説明する。図７の（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、スイッチング素子５０Ａをオン・オフしたときの印加電圧の時間変化、端子５３と端子５５ａと選択部５７の出力端のそれぞれからの出力電圧の時間変化、平滑部６３の出力端からの出力電圧の時間変化を示す。図７中、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。まず図７の（ａ）で示すようにスイッチング素子５０Ａが時刻ｔ１，ｔ３，ｔ５でオンし、ｔ２，ｔ４，ｔ６でオフしたとき、この抵抗素子２０ｇとコイル２０ｅを含む回路に電流が流れ、端子５３は、図７の（ｂ）で示す時間変化で電圧が変化する。このときのコイル２０ｅのインダクタンス（Ｌ）の値はＬ（μ１）であるとする。

図７の（ｂ）において、Ｖ（ｔ）は、端子５３の時刻ｔにおける電圧であり、Ｅは電源の電圧である。またｔは時間である。スイッチング素子５０Ａをオフする時刻ｔ２，ｔ４，ｔ６は、好ましくは、コイル２０ｅに流れる最大電流が、その最大電流により発生するコイル２０ｅからの磁束により磁歪膜２０ｃの磁化が飽和する領域に達するまでの値となるようにする。

また位相シフト部５５の出力端からの電圧波形は、半周期（１８０°）の分だけシフトした電圧波形が出力されるように設定される。その出力電圧は図７の（ｃ）で示される。

選択部５７は、スイッチング素子５０Ｂの半周期ごとに切り換えるように設定される。そのときの選択部５７の出力端からの出力される電圧信号の波形は図７の（ｄ）で示される。

その後ノイズカットフィルタ６１を通過した後、平滑部６３からは、図７の（ｅ）で示すように直流電圧<Ｖ>_１が出力される。平滑部６３では、選択部５７から出力された電圧波形の平均値に比例した値が出力される。記号「<Ｖ>」は「電圧波形の平均値に比例した値」という意味である。

図８の（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、コイル２０ｅのインダクタンスの値（Ｌ（μ２））が前述のインダクタンスの値（Ｌ（μ１））より大きい場合におけるスイッチング素子５０Ａをオン・オフしたときの印加電圧の時間変化、端子５３と端子５５ａと選択部５７の出力端のそれぞれからの出力電圧の時間変化、平滑部６３の出力端からの出力電圧の時間変化を示す。まず図８の（ａ）で示すように、スイッチング素子５０Ａが時刻ｔ１，ｔ３，ｔ５でオンし、時刻ｔ２，ｔ４，ｔ６でオフしたとき、この抵抗素子２０ｇとコイル２０ｅを含む回路に電流が流れる。コイル２０ｅは、図８の（ｂ）で示す時間変化で電圧が変化する。このときのコイル２０ｅのインダクタンス（Ｌ）の値はＬ（μ２）であるとする。

また位相シフト部５５の出力端から出力される電圧信号は、前述のように半周期の分だけシフトした電圧波形が出力されるように設定される。その出力電圧は図８の（ｃ）で示される。

選択部５７は、前述のようにスイッチング素子の半周期ごとに切り換えるように設定しておき、そのときの選択部５７から出力される電圧信号の波形は図８の（ｄ）で示される。

ノイズカットフィルタ６１を通過した後、平滑部６３からは図８の（ｅ）で示すように直流電圧<Ｖ>_２が出力される。平滑部６３の出力端からは、選択部５７から出力された波形の平均値に比例した値が出力される。

図７と図８で示されるように、直流電圧<Ｖ>_１と直流電圧<Ｖ>_２は、インダクタンスの値Ｌ（μ）の違いによって異なった値を示す。インダクタンスＬ（μ）は、磁歪膜の透磁率μに依存し、その透磁率μは磁歪膜にトルクが作用することによって変化するため、この電圧を測定することにより、操舵トルクを検出することができる。

もう一方の磁歪膜２０ｂに対する回路も上記と同様の動作がなされ、平滑部６４からは、トルクを反映した直流電圧が出力される。

図９は、印加トルク（操舵トルク）と直流電圧との関係を示すグラフである。２つの磁歪膜２０ｂ，２０ｃの各々の検出回路を経由して検出される直流電圧は曲線Ｌ１０と直線Ｌ１１となる。これは、磁歪膜２０ｂ，２０ｃは、上下２箇所で、それぞれ逆方向となる磁気異方性を持つように堆積されており、その磁気異方性が反映された結果、縦軸に対して対称的になっている。直線Ｌ１２は２つのコイル２０ｅ，２０ｆによって検出された特性曲線Ｌ１０から特性曲線Ｌ１１を引いた値を示すものであり、操舵トルクがゼロのときにその値はゼロとなり、操舵トルクの変化にほぼ直線的に変化することを示す。直線Ｌ１２の特性を利用することで、２つの検出用コイル２０ｅ，２０ｆを含むそれぞれの検出回路の値から操舵トルクを検出することができる。

演算部６５では、２つの直流電圧を減算する演算を行い、ＡＤ変換部６６でＡＤ変換してサンプルホールド回路６７に入力している。サンプルホールド回路６７からの出力は、電圧−トルク変換部６８で電圧値をトルク値に変換して出力している。

このように、演算部６５で出力される電圧と予めトルクと電圧との関係を求めたテーブルを有する電圧−トルク変換部６８によってトルク（Ｔ）を検出することができる。

上記のように、サンプルホールド回路６７に入力される電圧は直流電圧になる。このため、ホールド回路を周波数特性の減衰域で使用することがなくなり、ホールド回路の位相遅れもなくなり、センサ出力の位相遅れがなくなる。それにより、電動パワーステアリング装置の制御の位相遅れがなくなり、制御が安定化し、滑らかな操舵フィーリングを得ることができる。

本発明は、ステアリング軸に印加されるトルクを安定に検出できる磁歪式トルクセンサの実現に利用され、良好な操舵フィーリング特性を有する電動パワーステアリング装置の実現に利用される。

本発明の磁歪式トルクセンサが適用される電動パワーステアリング装置の全体構成図である。 電動パワーステアリング装置の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す図である。 図２中のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る磁歪式トルクセンサの実施形態を説明するための電気回路図である。 コイルの配置と結線の関係を具体的に示す図である。 本発明に係る磁歪式トルクセンサの要部構成を示す電気回路図である。 第１のインダクタンス値での図６に示した電気回路における各箇所での電圧波形を示す波形図である。 第２のインダクタンス値での図６に示した電気回路における各箇所での電圧波形を示す波形図である。 操舵トルクと検出電圧との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 電動パワーステアリング装置
１１ ステアリングホイール
１８ 動力伝達機構
１９ モータ
２０ 操舵トルク検出部（磁歪式トルクセンサ）
２０ｂ，２０ｃ 磁歪膜
２０ｄ，２０ｅ コイル
２０ｆ，２０ｇ コイル（抵抗素子）
２２ 制御装置
５１ 定電圧源
５２ 電圧印加部
５３，５４ 検出端子
５５，５６ 位相シフト部
５７，５８ 選択部
６３，６４ 平滑部
６５ 演算部

Claims (5)

1. 回転軸に設けられ、印加されるトルクに応じて磁気特性が変化する磁気特性変化部と、
   前記磁気特性変化部の周囲に配置され、前記磁気特性の変化に感応するコイルと、
   前記コイルに直列に接続された抵抗素子と、
   前記コイルと前記抵抗素子で形成する直列回路に周期的に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記コイルの端子電圧の変化を取り出す端子と、
   前記コイルの端子電圧の変化の位相を反転させる位相シフト手段と、
   前記端子での電圧変化と前記位相シフト手段の出力端での電圧変化とを交互に選択して出力する選択手段と、
   前記選択手段から出力される電圧信号を平滑して直流電圧を出力する平滑手段と、
   を備えることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記磁気特性変化部は前記回転軸に２つ設けられ、
   ２つの磁気特性変化部のそれぞれに対して、個別に、前記コイルと、前記抵抗素子と、前記電圧印加手段と、前記端子と、前記位相シフト手段と、前記選択手段と、前記平滑手段とを備えると共に、
   ２つの前記平滑手段のそれぞれから出力する２つの電圧信号の差を演算する演算手段を備えることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 前記抵抗素子は前記回転軸の周囲に配置されたコイルであり、前記磁気特性の変化に感応する少なくとも１つの前記コイルと前記抵抗素子として作用する少なくとも１つの前記コイルの各々の前記回転軸での巻き方向は同一であることを特徴とする請求項１または２記載の磁歪式トルクセンサ。
4. 前記電圧印加手段は、定電圧源と、この定電圧源に接続されたスイッチング素子とからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁歪式トルクセンサ。
5. ステアリング軸にトルクを印加するモータと、
   前記ステアリング軸に印加された操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
   前記トルク検出手段からの信号に応じて前記モータの目標電流を演算する目標電流演算手段と、
   前記モータを駆動する駆動手段とを備え、
   前記トルク検出手段に請求項１〜４のいずれか１項に記載した磁歪式トルクセンサを用いると共に、前記磁歪式トルクセンサの前記回転軸を前記ステアリング軸と一致させることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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