JP2008216162A - 磁歪式トルクセンサおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の一端の開放によらず、回転軸に作用する曲げモーメントの効果をキャンセルすることが可能で、磁歪式トルクセンサの取付周辺環境によらず安定して高精度に回転モーメントを検出することが可能な磁歪式トルクセンサを提供する。
【解決手段】回転自在に支持された回転軸２１と、回転軸２１の表面に設けられ、回転軸２１に作用する回転トルクの大きさに応じて透磁率が変化する磁歪材３ａ、３ｂと、回転軸２１に配置され、磁歪材３ａ、３ｂの透磁率の変化を電気的変化として検出する少なくとも２つ以上の検出手段３２、３４とを備え、検出手段３２、３４のそれぞれが配置されている部分の回転軸２１の断面２次モーメントＩ１、Ｉ２が互いに異なっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁歪材の透磁率の変化を電気的変化として検出することで回転軸に加えられたトルクを検出する磁歪式トルクセンサ、およびその磁歪式トルクセンサを搭載する電動パワーステアリング装置に関する。

磁歪式トルクセンサは、自動車用の電動パワーステアリング装置に搭載されており、電動パワーステアリング装置は、自動車の運転中に、運転者がハンドル（ステアリングホイール）を操舵するとき、モータを連動させて操舵力を補助する支援装置である。電動パワーステアリング装置において、磁歪式トルクセンサは、運転者のハンドルの操舵によりハンドルに連結された操舵軸に生じる操舵トルクを検出している。電動パワーステアリング装置は、少なくとも検出された操舵トルクと、自動車の車速を検出する車速センサからの車速信号とに基づいて、モータからの出力である補助操舵力を制御することで、運転者の操舵力を軽減している。

磁歪式トルクセンサとしては、操舵軸である回転軸の表面の上下２箇所にそれぞれ、磁歪材が互いに逆方向の磁気異方性を有するように設けられているものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。回転軸に操舵トルクが作用すると、回転モーメントが生じ、回転軸がねじれて磁歪材が歪み、磁気異方性に基づく逆磁歪特性により、一方の磁歪材の歪を更に歪ませ、他方の磁歪材の歪を減少させる。これらの歪の増減により磁歪材の周囲に配設されたコイル等の検出手段の交流抵抗等が変化する。磁歪式トルクセンサは、この変化を検出することで、回転軸にかかる操舵トルクを検出することができる。

ただ、モータからの補助操舵力をギヤを介して回転軸に伝達させると、回転軸には、軸の周りの回転モーメントだけでなく、回転軸の中心軸を曲げようとする曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントは、回転軸の軸方向の断面位置で大きさが異なる、具体的には、曲げモーメントの作用点では０（ゼロ）、断面位置が作用点から離れるにしたがって大きくなるので、２つの形成される位置が異なる磁歪材には、大きさの異なる曲げモーメントが作用する。２つの磁歪材にとっては、回転モーメントも曲げモーメントも、同じ歪として検出されるので、回転モーメントを検出するための磁歪式トルクセンサとしては、真の値が異なるので精度が低下してしまう。これは、２つの磁歪材には、大きさの異なる曲げモーメントが作用しているので、それぞれ対応する検出手段から交流抵抗等の出力の差分を取っても曲げモーメント分はキャンセルできないからである。そこで、２つの磁歪材に曲げモーメントが作用しないように、回転軸の一端を開放端とする磁歪式トルクセンサが提案されている。
特開２００４−２４５６３６号公報

しかし、そのような従来の磁歪式トルクセンサにおいても、回転軸の一端を完全に開放端にできるわけではなく、その一端には、ハンドルが連結されており、例えば車庫入れ時の据え切りする場合のようにハンドルを強く切る場合に、ハンドルから回転軸に曲げモーメントが作用する場合があった。また、磁歪式トルクセンサの取付周辺環境によっては回転軸を安定して回転自在に固定するため、回転軸の一端を開放端とするのでなく、回転軸の両端を回転自在に固定したいという要請もあった。

本発明は、前記問題点に鑑み、回転軸の一端の開放によらず、回転軸に作用する曲げモーメントの効果をキャンセルすることが可能で、磁歪式トルクセンサの取付周辺環境によらず安定して高精度に回転モーメントを検出することが可能な磁歪式トルクセンサを提供し、また、そのような磁歪式トルクセンサを搭載する電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明は、回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸の表面に設けられ、前記回転軸に作用する回転トルクの大きさに応じて透磁率が変化する磁歪材と、前記回転軸に配置され、前記透磁率の変化を電気的変化として検出する少なくとも２つ以上の検出手段とを備え、前記検出手段のそれぞれが配置されている部分の回転軸の断面２次モーメントが互いに異なっている磁歪式トルクセンサであることを特徴とする。

本発明の磁歪式トルクセンサによれば、前記回転軸に所定の曲げモーメントが加えられている場合に、前記検出手段のそれぞれが配置されている部分の回転軸の曲げモーメントが互いに等しくなるように、前記回転軸の断面２次モーメントを互いに異ならせることができるので、検出手段相互の差分を取ることで、回転軸の曲げモーメントの効果をキャンセルすることができ、回転軸の回転モーメントのみを正確に安定して高精度に検出することができる。

また、本発明は、本発明の磁歪式トルクセンサを搭載する電動パワーステアリング装置であって、前記回転軸は、操舵軸として使用され、前記操舵軸の回転を伝達するラックアンドピニオンギヤ機構と、前記検出手段と前記ラックアンドピニオンギヤ機構の間に設けられ前記操舵軸を回転自在に支持する軸受けとを備え、前記検出手段のそれぞれが配置されている前記回転軸の部分のうち前記軸受けに近い側の前記回転軸の断面２次モーメントが、遠い側の断面２次モーメントよりも大きいことを特徴とする。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、前記回転軸にある所定の曲げモーメントが加えられている場合に、前記検出手段のそれぞれが配置されている部分の回転軸の曲げモーメントが互いに等しくなるように、前記回転軸の断面２次モーメントが、前記軸受けに近い側の前記回転軸の断面２次モーメントが、遠い側の断面２次モーメントよりも大きくなっているので、検出手段相互の差分を取ることで、回転軸の曲げモーメントの効果をキャンセルすることができ、回転軸の回転モーメントを高精度に検出することができる。

本発明によれば、回転軸の一端の開放によらず、回転軸に作用する曲げモーメントの効果をキャンセルすることが可能で、磁歪式トルクセンサの取付周辺環境によらず安定して高精度に回転モーメントを検出することが可能な磁歪式トルクセンサを提供でき、また、そのような磁歪式トルクセンサを搭載する電動パワーステアリング装置を提供できる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）１の全体構成図である。ハンドル２は、自在継ぎ手１３ａ、１３ｂを介して、操舵軸２１の上端に連結されている。操舵軸２１の下端にはピニオンギヤ１１ｂが取り付けられている。ピニオンギヤ１１ｂはラックギヤ１１ａに噛み合っており、ラックギヤ１１ａとピニオンギヤ１１ｂとでラックアンドピニオンギヤ機構１１を構成している。ラックアンドピニオンギヤ機構１１は、操舵軸２１の操舵トルクＴｓをラック軸６の軸方向の推力に変換する。ラックギヤ１１ａは、ラック軸６に刻まれて設けられている。

ラック軸６にはボールねじ７も刻まれて設けられており、ウォームホイールギヤ５ｂの内側にボールナット８が設けられ、ラック軸６とウォームホイールギヤ５ｂとは、このボールナット８と図示されない複数の循環ボールを介して係合されている。ウォームホイールギヤ５ｂの外歯は、ウォームギヤ５ａに噛み合わされている。ウォームギヤ５ａは、ブラシレスモータ４の回転軸に連結している。ブラシレスモータ４は、運転者の操舵に対して動力補助をする。ウォームギヤ５ａとウォームホイールギヤ５ｂとで減速装置５が構成されている。減速装置５は、ブラシレスモータ４の発生させる補助トルクＡＨを倍力する。ボールねじ７は、倍力された補助トルクＡＨをラック軸６の軸方向の推力に変換する。ラック軸６の両端にはタイロッド１４の一端が固定され、各タイロッド１４の他端には自動車の前輪となるタイヤ１０が取り付けられている。

ラック軸６は、一端がボールねじ７を介して軸受け２７によって、他端が図示されないラックガイド９によって支持され、ステアリングギヤボックス１２内に回転させないで軸方向に移動が自在にできるように保持されている。操舵軸２１は、軸受け２４、２５、２６によって、ステアリングギヤボックス１２内に回転自在に支持されている。

操舵軸２１には、操舵軸２１と自在継ぎ手１３ｂとを締結する例えばセレーションのような締結部２２が設けられている。また、操舵軸２１には、操舵軸２１とステアリングギヤボックス１２との間をシールするシール２３が設けられている。

操舵軸２１には、磁歪式トルクセンサ３が設けられている。操舵軸２１は、磁歪式トルクセンサ３の回転軸を兼ねている。磁歪式トルクセンサ３は、ハンドル２から運転者によって入力される操舵トルクＴｓを検出する。磁歪式トルクセンサ３は、回転軸（操舵軸）２１の表面に設けられ、回転軸２１に作用する回転トルクの大きさ及び方向に応じて透磁率が変化する第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂとを有している。第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂとは、回転軸２１の全周にわたり円環状に形成されている。第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂとには、Ｆｅ−Ｎｉ系やＦｅ−Ｃｒ系の磁歪膜が好適である。第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂとは、メッキ法や蒸着法等により、回転軸２１上等、例えば、回転軸２１の表面上や、回転軸２１に圧入させる中空管に成膜し、回転軸２１と第１磁歪材３ａ、第２磁歪材３ｂとを一体化してもよいし、あらかじめ作製された第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂを、接着剤を用いて回転軸２１に接着にて設けてもよい。

さらに、磁歪式トルクセンサ３は、第１磁歪材３ａの周囲に第１励磁手段３１と第１検出手段３２を有している。なお、第１励磁手段３１と第１検出手段３２とは、多重巻きされたコイルで別々に設けられているが、同一のコイルで設けても良い。同様に、磁歪式トルクセンサ３は、第２磁歪材３ｂの周囲に第２励磁手段３３と第２検出手段３４を有している。なお、第２励磁手段３３と第２検出手段３４も同様に同一のコイルで設けても良い。第１励磁手段３１は、回転軸２１に配置され、第１磁歪材３ａを励磁する。第２励磁手段３３は、回転軸２１に配置され、第２磁歪材３ｂを励磁する。第１検出手段３２は、回転軸２１に配置され、励磁された第１磁歪材３ａの透磁率の変化を電気的変化として検出する。第２検出手段３４は、回転軸２１に配置され、励磁された第２磁歪材３ｂの透磁率の変化を電気的変化として検出する。そして、第１検出手段３２が配置されている部分の回転軸２１の断面２次モーメントＩ１が、第２検出手段３４が配置されている部分の回転軸２１の断面２次モーメントＩ２とは異なり、断面２次モーメントＩ１の方が断面２次モーメントＩ２より小さくなっている（Ｉ１＜Ｉ２）。言い換えると、第１検出手段３２、第２検出手段３４のそれぞれが配置されている回転軸２１の部分のうち軸受け２５に近い側の回転軸２１の断面２次モーメントＩ２が、遠い側の断面２次モーメントＩ１よりも大きくなっている（Ｉ１＜Ｉ２）。また、第１検出手段３２が配置されている部分の回転軸２１の直径ｄ１が、第２検出手段３４が配置されている部分の回転軸２１の直径ｄ２とは異なり、直径ｄ１の方が直径ｄ２より小さくなっている（ｄ１＜ｄ２）。しかし、第１励磁手段３１及び第１検出手段３２の内径と、第２励磁手段３３及び第２検出手段３４の内径とは同じであっても良い。なぜならば直径ｄ１が直径ｄ２より小さくなっている（ｄ１＜ｄ２）ので、トルク入力に対して直径ｄ１側は捩れ角が直径ｄ２側より大きくなり、大きな感度が得られ、内径を同じにしてエアギャップが前記直径ｄ１側で前記直径ｄ２側より大きくなっても、前記直径ｄ１側でも前記直径ｄ２側と同等の充分な感度が得られるからである。

運転者がハンドル２を操舵することによって、操舵トルクＴｓが生じ、操舵トルクＴｓは回転軸２１に伝達される。伝達された操舵トルクＴｓは、磁歪式トルクセンサ３に検出され、検出した信号として、第１検出手段３２から出力ＶＴ１を出力する。同様に、第２検出手段３４から出力ＶＴ２を出力する。出力ＶＴ１、ＶＴ２は、制御装置ＥＣＵに入力される。制御装置ＥＣＵはコンピュータで構成され、自動車の車速を検出する車速センサ８から車速信号Ｖを受信する。また、制御装置ＥＣＵは、ブラシレスモータ４にモータ電流Ｄを送電すると共に、モータ電流Ｄを計測した電流計測信号Ｄｏと、ブラシレスモータ４の回転子の回転角を計測したモータ回転角信号ａなども受信する。

制御装置ＥＣＵは、受信した出力ＶＴ１、ＶＴ２と、車速信号Ｖ、電流計測信号Ｄｏ、モータ回転角信号ａ等に基づいて、ブラシレスモータ４にモータ電流Ｄを出力する。

ブラシレスモータ４は、モータ電流Ｄにより、操舵トルクＴｓを補助する補助トルクＡＨを出力し、補助トルクＡＨは、減速装置５、ボールねじ７を経由して、ラック軸６に伝達するとともに直線運動に変換される。なお、運転者が直に発生させた操舵トルクＴｓも、ラックアンドピニオンギヤ機構１１を経由して、ラック軸６に伝達するとともに直線運動に変換される。

ラック軸６に伝達した操舵トルクＴｓの直線運動と補助トルクＡＨの直線運動とは合わさって、タイロッド１４を動かし、タイヤ１０の走行方向を変化させる。操舵トルクＴｓに補助トルクＡＨが合わさることで、運転者の操舵に必要な操舵トルクＴｓを軽減することができる。そして、ハンドル２の回転θによりタイヤ１０の走行方向を回転αさせることができる。

例えば、操舵トルクＴｓの値を理解を容易にするためにＴｓとし、補助トルクＡＨの値をＡＨとし、補助トルクＡＨの係数を定数ｋＡとすると、ＡＨ＝ｋＡ×Ｔｓであり、負荷であるピニオントルクをＴｐとすると、ピニオントルクＴｐは操舵トルクＴｓと補助トルクＡＨの和（Ｔｐ＝Ｔｓ＋ＡＨ）であるから、Ｔｓ＝Ｔｐ／（１＋ｋＡ）となる。したがって操舵トルクＴｓは、ピニオントルクＴｐの１／（１＋ｋＡ）、（ｋＡ≧０）となりピニオントルクＴｐより小さくなり、操舵トルクＴｓは軽減されることになる。なお、上記では、理解を容易にするためにｋＡを定数としたが、ｋＡは車速の増大に伴って小さくなることが好ましい。このことにより、自動車が高速走行になるに従ってタイヤ１０を路面に対して回転αさせる負荷が減少しても、タイヤ１０を回転αさせるに要する操舵トルクＴｓを大きくして運転者に手応え感を付与することができる。

図２は、電動パワーステアリング装置１における磁歪式トルクセンサ３の周辺の構成図である。図２に示すように、制御装置ＥＣＵは、インターフェイス部１５を有している。インターフェイス部１５は、変換回路３５と増幅回路ＡＭＰを有している。増幅回路ＡＭＰは、出力ＶＴ１を増幅する増幅回路ＡＭＰ１と、出力ＶＴ２を増幅する増幅回路ＡＭＰ２とを有している。変換回路３５は、増幅回路ＡＭＰ１から出力される出力ＶＴ１と、増幅回路ＡＭＰ２から出力される出力ＶＴ２との差を計算して、トルク検出信号ＶＴ３を算出する。また、制御装置ＥＣＵは、トルク検出信号ＶＴ３と車速信号Ｖと電流計測信号Ｄｏとモータ回転角信号ａに基づいて、ブラシレスモータ４を回転動作させるモータ電流Ｄを出力するモータ電流制御部１８を有している。実際には、このほかにも出力ＶＴ１と出力ＶＴ２の和を計算して、この和の値が所定の範囲に入っているかどうかを判定することによる故障診断等を実施している。

次に、磁歪式トルクセンサ３に作用する曲げモーメントについて詳細に検討する。

図３（ａ）に示すように、磁歪式トルクセンサ３の回転軸２１は、軸受け２４、２５、２６によって回転自在に支持されている。軸受け２４は、回転軸２１の上端部に設けられている。軸受け２４と２５とは、第１磁歪材３ａ、第１励磁手段３１、第１検出手段３２、第２磁歪材３ｂ、第２励磁手段３３、第２検出手段３４を挟むように配置されている。軸受け２５は、第１検出手段３２、第２検出手段３４と、ラックアンドピニオンギヤ機構１１との間に設けられている。軸受け２６は、回転軸２１の下端部で、ラックアンドピニオンギヤ機構１１の下に設けられている。

そして、図１のブラシレスモータ４から補助トルクＡＨが出力されると、ラック軸６に補助トルクＡＨが伝達され、ピニオンギヤ１１ｂとラックギヤ１１ａとの噛み合いによって、ピニオンギヤ１１ｂとラックギヤ１１ａの圧力角（例えば約２０度）の影響で、ラック軸６から離れる方向と、ラック軸６の長手方向とには、傾き角（ヘリカルアングル）がついているので、ピニオンギヤ１１ｂとラックギヤ１１ａの歯の直角方向に、補助トルクＡＨが合成され、例えば代表的に図３（ａ）の如く、回転軸２１には、ピニオンギヤ１１ｂにおいて力Ｆが作用する。この力Ｆにより、回転軸２１を軸受け２４、２５、２６の回転軸で回転させる回転モーメントが発生する。同時に、図３（ａ）に回転軸２１の中心軸の変位を誇張したものを太線で示すが、この太線のように回転軸２１を曲げようとする曲げモーメントが、この力Ｆにより発生する。回転軸２１の中心軸の変位は、図３（ｂ）に示すように、軸受け２６を節Ｊ１とし、軸受け２５を節Ｊ２とし、軸受け２４を節Ｊ３としている。このため、曲げモーメントにより、節Ｊ１と節Ｊ２の間では、力Ｆがこの間に力点として存在するので、力Ｆが作用する側が縮み、反対側が伸びるように、回転軸２１は変位する。また、節Ｊ２と節Ｊ３の間では、力点がこの間に存在しないので、曲げモーメントにより、力Ｆが作用する側が伸び、反対側が縮むように、回転軸２１は変位する。回転軸２１がこのように、曲げモーメントによって変位することで、回転軸２１さらには第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂとが歪むことになる。

図３（ｃ）は、曲げモーメントの大きさを回転軸２１に沿った方向のダイヤグラムとして示した曲げモーメント図（ＢＭＤ：Ｂｅｎｄｉｎｇ Ｍｏｍｅｎｔ Ｄｉａｇｒａｍ）である。この曲げモーメント図では、前提として、図３（ａ）に示すように、第２磁歪材３ｂの付近の回転軸２１の断面２次モーメントＩ２が、第１磁歪材３ａの付近の回転軸２１の断面２次モーメントＩ１より大きくなっている（Ｉ１＜Ｉ２）。そして、第２磁歪材３ｂの付近の回転軸２１を除いて、第１磁歪材３ａの付近の回転軸２１を含めた全範囲の断面２次モーメントは、第１磁歪材３ａの付近の回転軸２１の断面２次モーメントＩ１に等しいと仮定している。第２磁歪材３ｂの付近の回転軸２１の断面２次モーメントＩ２を、第１磁歪材３ａの付近の回転軸２１の断面２次モーメントＩ１より大きくする（Ｉ１＜Ｉ２）ためには、例えば、第２磁歪材３ｂの付近の回転軸２１の直径ｄ２を、第１磁歪材３ａの付近の回転軸２１の直径ｄ１より大きくすればよい（ｄ１＜ｄ２）。

このように、回転軸２１の断面２次モーメントＩ１、Ｉ２が互いに異なっているので、
回転軸２１にある所定の曲げモーメントが加えられている場合に、図３（ｃ）に示すように、検出手段３２、３４のそれぞれが配置されている部分の回転軸２１の曲げモーメントｂ１、ｂ２を互いに等しくできる（ｂ１＝ｂ２）。

一方、図４（ａ）と（ｂ）に示す従来のように、回転軸２１の直径ｄ１とｄ２が等しく（ｄ１＝ｄ２）、断面２次モーメントＩ１とＩ２とが等しい（Ｉ１＝Ｉ２）場合は、回転軸２１にある所定の曲げモーメントが加えられると、図４（ｃ）に示すように、検出手段３２、３４のそれぞれが配置されている部分の回転軸２１の曲げモーメントｂ１、ｂ２０を等しくできず、曲げモーメントｂ１は曲げモーメントｂ２０より小さくなってしまう（ｂ１＜ｂ２０）。この悪影響を磁歪式トルクセンサが検出してしまい精度を低下させていた。

図５は、出力ＶＴ１、ＶＴ２、トルク検出信号ＶＴ３の出力特性を示すグラフである。この出力ＶＴ１と出力ＶＴ２とは、第１励磁手段３１（図２参照）と第２励磁手段３３（図２参照）に、交流を通電しておき、トルク入力時における第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂの磁歪特性である透磁率の変化を、第１検出手段３２、第２検出手段３４によって、電圧の変化として出力したものである。

磁気異方性を付与される前の第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂによる出力ＶＴ１、ＶＴ２は、トルクの作用方向（右回転（＋）、左回転（−））に対して、略対称的な出力特性を示す。そこで、使用範囲より十分大きい右回転のトルクを第１磁歪材３ａに残留させて磁気異方性を与え、出力ＶＴ１の出力特性を得ている。同様に、使用範囲より十分大きい左回転のトルクを第２磁歪材３ｂに残留させて磁気異方性を与え、出力ＶＴ２の出力特性を得ている。

そして、変換回路３５（図２参照）において、ＶＴｌからＶＴ２を減算し、この減算値に係数ｋを積算することによってＶＴ３を算出（ＶＴ３＝ｋ・（ＶＴｌ−ＶＴ２））している。さらに、ＶＴ３は、トルクが０（ゼロ）のときに、２．５Ｖを出力するようにシフトされている。このトルク検出信号ＶＴ３によれば、図５に示すように、トルクの作用方向と大きさの検出が可能になると共に、感度（図５のグラフのＶＴ３の傾き）を（グラフのＶＴ１の傾きより）向上させることができる。

ここで、第１の実施形態では、図３（ｃ）に示すように、曲げモーメントｂ１とｂ２の値が等しい（ｂ１＝ｂ２）ので、曲げモーメントｂ１とｂ２による第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂとにおける歪み量は等しく、図５に示すように、出力ＶＴ１とＶＴ２とは、トルク０（ゼロ）で一致し、トルク０（ゼロ）を通る出力軸に対して線対称な出力特性になる。このため、出力ＶＴｌから出力ＶＴ２を減算することで、回転軸２１の曲げモーメントｂ１、ｂ２の効果をキャンセルすることができ、正味の回転軸２１の回転モーメントを検出できる。そして、回転軸２１の回転モーメントを高精度に検出することができ、操舵フィーリングを向上させることができる。

一方、従来は、図４（ｃ）に示すように、曲げモーメントｂ２０が曲げモーメントｂ１より大きくなっていた（ｂ１＜ｂ２０）ので、第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂとにおける歪み量も、第２磁歪材３ｂの方が大きくなり、図５に示すように、第２検出手段３４の出力特性は、出力ＶＴ２０のように、出力ＶＴ２を出力が大きくなる方向に平行移動したような出力特性になる。このため、従来のトルク検出信号ＶＴ３０は、トルク０（ゼロ）において、出力が２．５Ｖより小さくなる。この従来のトルク検出信号ＶＴ３０では、トルクをΔＴだけかけたときに、従来のトルク検出信号ＶＴ３０が２．５Ｖになり、補助トルクＡＨが０（ゼロ）出力になるので、運転者にとって期待する補助トルクＡＨが得られず、操舵フィーリングに違和感が生じる。分かり易くいうと、（ｂ１−ｂ２０）に比例したトルク検出信号ＶＴ３が操舵トルクとして検出されてしまうことになる。

より具体的には、タイヤ１０（図１参照）からの負荷であるラック軸６からの軸力の大きさによって、軸力が小さいときは、ｂｌ＝ｂ２０（≒０（ゼロ））であると考えられる。軸力が大きくなると曲げモーメントが増大し、ｂ２０＞ｂｌとなり、あたかも操舵トルクを大きく検出したような誤信号を出力してしまう。これにより、ブラシレスモータ４への通電量が大きくなりハンドル２上の操舵トルクＴｓが小さくなり、ハンドル２が即ち軽くなる。逆に、操舵トルクＴｓを小さく検出するとブラシレスモータ４への通電量が小さくなりハンドル２上の操舵トルクＴｓが大きくなり、ハンドル２が重くなる。このように、実際の操舵トルクＴｓは変わらなくても、操舵トルクＴｓを変化させ、操舵トルクのうねりや振動を発生させて操舵フィーリングを低下させてしまう。

これらのことを踏まえ、断面２次モーメントＩ１は、式Ｉ１＝πｄ１⁴／６４で算出され、断面２次モーメントＩ２は、式Ｉ２＝πｄ２⁴／６４で算出されることを考え合わせると、直径ｄ１と直径ｄ２の比（ｄｌ／ｄ２）を、概ね、式（ｂｌ／ｂ２０）＝（ｄｌ／ｄ２）⁴を満たすように設定することにより、曲げモーメントｂ１とｂ２の値を等しくすることができる（ｂ１≒ｂ２）。なお、直径ｄ１と直径ｄ２の値が異なれば、今度は、回転モーメントによる歪み量にも、互いに差が生じると考えられる。しかし、曲げモーメントは直径の４乗に比例するのに対して、回転モーメントは直径の２乗に比例するので、直径の差は、さほど大きくしなくて良いので回転モーメントによる歪み量としては大きな影響を受けない。逆に、この影響をも加味して直径ｄ１と直径ｄ２の比（ｄｌ／ｄ２）を算出すれば一層よい。

（第２の実施形態）
図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る磁歪式トルクセンサの構成図である。第２の実施形態の磁歪式トルクセンサが、第１の実施形態の磁歪式トルクセンサと異なる点は、回転軸２１の両端が回転自在に支持されておらず、回転軸２１の上端が開放端になっている点である。具体的には、図３の軸受け２４が省かれている点が異なっている。ただ実際には、回転軸２１の上端が完全に開放端になっているわけではなく、その上端には、ハンドル２が連結されており、例えば車庫入れ時の据え切りする場合のようにハンドル２を強く切る場合に、ハンドル２から自在継手１３ａ、１３ｂを介して回転軸２１の上端に力Ｇが作用する。
磁歪式トルクセンサ３の回転軸２１は、軸受け２５、２６によって回転自在に支持されている。第１磁歪材３ａ、第１励磁手段３１、第１検出手段３２、第２磁歪材３ｂ、第２励磁手段３３、第２検出手段３４は、軸受け２５、２６で挟まれていない。軸受け２５は、第１検出手段３２、第２検出手段３４と、ラックアンドピニオンギヤ機構１１との間に設けられている。軸受け２６は、回転軸２１の下端部で、ラックアンドピニオンギヤ機構１１の下に設けられている。

そして、力Ｇにより、回転軸２１を軸受け２５、２６の回転軸で回転させる回転モーメントが発生する。同時に、図６（ａ）に回転軸２１の中心軸の変位を誇張したものを太線で示すが、この太線のように回転軸２１を曲げようとする曲げモーメントが、この力Ｇにより発生する。回転軸２１の中心軸の変位は、図６（ｂ）に示すように、軸受け２６を節Ｊ１とし、軸受け２５を節Ｊ２としている。このため、曲げモーメントにより、節Ｊ２より上では、力Ｇを力点として、力Ｇが作用する側が伸び、反対側が縮むように、回転軸２１は変位する。また、節Ｊ１と節Ｊ２の間では、力点がこの間に存在しないので、曲げモーメントにより、力Ｇが作用する側が伸び、反対側が縮むように、回転軸２１は変位する。回転軸２１がこのように、曲げモーメントによって変位することで、回転軸２１さらには第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂとが歪むことになる。

図６（ｃ）は、曲げモーメントの大きさを回転軸２１に沿った方向のダイヤグラムとして示した曲げモーメント図（ＢＭＤ）である。第２の実施形態でも、第１の実施形態と同様に、第２磁歪材３ｂの付近の回転軸２１の断面２次モーメントＩ２が、第１磁歪材３ａの付近の回転軸２１の断面２次モーメントＩ１より大きくなっている（Ｉ１＜Ｉ２）ので、回転軸２１にある所定の曲げモーメントが加えられている場合に、検出手段３２、３４のそれぞれが配置されている部分の回転軸２１の曲げモーメントｂ１、ｂ２を互いに等しくできる（ｂ１＝ｂ２）。

一方、図７（ａ）と（ｂ）に示す従来のように、回転軸２１の直径ｄ１とｄ２が等しく（ｄ１＝ｄ２）、断面２次モーメントＩ１とＩ２とが等しい（Ｉ１＝Ｉ２）場合は、回転軸２１にある所定の曲げモーメントが加えられると、図７（ｃ）に示すように、検出手段３２、３４のそれぞれが配置されている部分の回転軸２１の曲げモーメントｂ１、ｂ２０を等しくできず、曲げモーメントｂ１は曲げモーメントｂ２０より小さくなってしまう（ｂ１＜ｂ２０）。具体的には、タイヤ１０（図１参照）からの負荷であるラック軸６からの軸力の大きさによって、例えば軸力が小さいときは、ｂｌ＝ｂ２０であると考えられる。軸力が大きくなると曲げモーメントが増大し、ｂ２０＞ｂｌとなり、あたかも操舵トルクを大きく検出したような誤信号を出力してしまう。これにより、ブラシレスモータ４への通電量が大きくなりハンドル２上の操舵トルクＴｓが小さくなり、ハンドル２が即ち軽くなる。このように、実際の操舵トルクＴｓは変わらなくても、操舵トルクＴｓを変化させ、操舵トルクのうねりや振動を発生させて操舵フィーリングを低下させてしまう。

一方、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、図６（ｃ）に示すように、曲げモーメントｂ１とｂ２の値が等しい（ｂ１＝ｂ２）ので、曲げモーメントｂ１とｂ２による第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂとにおける歪み量は等しく、回転軸２１の曲げモーメントｂ１、ｂ２による歪み量を容易にキャンセルすることができる。このため、正味の回転軸２１の回転モーメントを検出でき、回転軸２１の回転モーメントを高精度に検出することができる。操舵フィーリングを向上させることができる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る磁歪式トルクセンサを有する電動パワーステアリング装置の構成図である。第３の実施形態の電動パワーステアリング装置が、第１の実施形態の電動パワーステアリング装置と異なる点は、軸受け２５と軸受け２６との間に、ラックアンドピニオンギヤ機構１１ではなく、減速装置５が設けられている点である。このことにより、ラックアンドピニオンギヤ機構１１は、軸受け２５の下に設けられている点は同じであるが、さらに、軸受け２６の下に設けられている。ピニオンギヤ１１ｂは、新たに、軸受け２６ａで回転自在に支持されている。また、自在継ぎ手１３ａ、１３ｂと締結部２２が、軸受け２４の上方から、軸受け２６の下方に移動している。第３の実施形態によれば、補助トルクＡＨを、直接にラック軸６ではなく、直接に回転軸２１に作用させることができる。これにより、図３（ａ）の第１の実施形態に示されるような力Ｆがウォームホイールギヤ５ｂを介して、操舵軸２１に入力され、問題となる曲げモーメントを発生させる。

ブラシレスモータ４から補助トルクＡＨが出力されると、ウォームギヤ５ａに補助トルクＡＨが伝達され、ウォームギヤ５ａとウォームホイールギヤ５ｂの歯の直角方向に、補助トルクＡＨが合成され、回転軸２１には、ウォームホイールギヤ５ｂにおいて、第１の実施形態と同様に力Ｆが作用する。この力Ｆにより、回転モーメントが発生すると同時に、図３（ｂ）の軸受け２６の節Ｊ１と、軸受け２５の節Ｊ２と、軸受け２４の節Ｊ３とを有する回転軸２１の中心軸の変位を生じさせる曲げモーメントが発生する。回転軸２１がこのように、曲げモーメントによって変位することで、回転軸２１さらには第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂとが歪むことになるが、第３の実施形態でも、第１の実施形態と同様に、第２磁歪材３ｂの付近の回転軸２１の断面２次モーメントＩ２が、第１磁歪材３ａの付近の回転軸２１の断面２次モーメントＩ１より大きくなっている（Ｉ１＜Ｉ２）ので、回転軸２１にある所定の曲げモーメントが加えられている場合に、検出手段３２、３４のそれぞれが配置されている部分の回転軸２１の曲げモーメントｂ１、ｂ２を互いに等しくできる（ｂ１≒ｂ２）。このため、曲げモーメントｂ１とｂ２による第１磁歪材３ａと第２磁歪材３ｂとにおける歪み量は等しく、回転軸２１の曲げモーメントｂ１、ｂ２による歪み量を容易にキャンセルすることができる。そして、正味の回転軸２１の回転モーメントを検出でき、回転軸２１の回転モーメントのみを正確に安定して、より一層高精度に検出することができ、操舵フィーリングを向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る磁歪式トルクセンサを有する電動パワーステアリング装置の構成図である。 電動パワーステアリング装置における磁歪式トルクセンサの周辺の構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る磁歪式トルクセンサ（両端が固定端の場合）に関し、（ａ）は、磁歪式トルクセンサにラックギヤによって生じる力点を示す図であり、（ｂ）は、支点と力点のみを抽出した模式図であり、（ｃ）は、曲げモーメントの大きさを回転軸に沿って示した曲げモーメント図である。 従来の磁歪式トルクセンサ（両端が固定端の場合）に関し、（ａ）は、磁歪式トルクセンサにラックギヤによって生じる力点を示す図であり、（ｂ）は、支点と力点のみを抽出した模式図であり、（ｃ）は、曲げモーメントの大きさを回転軸に沿って示した曲げモーメント図である。 第１の実施形態の第１検出手段が出力する出力ＶＴ１の出力特性と第２検出手段が出力する出力ＶＴ２の出力特性とトルク検出信号ＶＴ３の出力特性と、従来の第２検出手段が出力する出力ＶＴ２０の出力特性とトルク検出信号ＶＴ３０の出力特性である。 本発明の第２の実施形態に係る磁歪式トルクセンサ（一端が開放端で、他端が固定端の場合）に関し、（ａ）は、磁歪式トルクセンサにラックギヤによって生じる力点を示す図であり、（ｂ）は、支点と力点のみを抽出した模式図であり、（ｃ）は、曲げモーメントの大きさを回転軸に沿って示した曲げモーメント図である。 従来の磁歪式トルクセンサ（一端が開放端で、他端が固定端の場合）に関し、（ａ）は、磁歪式トルクセンサにラックギヤによって生じる力点を示す図であり、（ｂ）は、支点と力点のみを抽出した模式図であり、（ｃ）は、曲げモーメントの大きさを回転軸に沿って示した曲げモーメント図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁歪式トルクセンサを有する電動パワーステアリング装置の構成図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
３ 磁歪式トルクセンサ
３ａ 第１磁歪材
３ｂ 第２磁歪材
２１ 操舵軸（磁歪式トルクセンサの回転軸）
２４、２５、２６、２６ａ、２７ 軸受け
３１ 第１励磁手段
３２ 第１検出手段
３３ 第２励磁手段
３４ 第２検出手段
Ｉ１、Ｉ２ 回転軸の断面２次モーメント
ｄ１、ｄ２ 回転軸の直径

Claims (3)

1. 回転自在に支持された回転軸と、
   前記回転軸の表面に設けられ、前記回転軸に作用する回転トルクの大きさに応じて透磁率が変化する磁歪材と、
   前記回転軸に配置され、前記磁歪材の前記透磁率の変化を電気的変化として検出する少なくとも２つ以上の検出手段とを備え、
   前記検出手段のそれぞれが配置されている部分の回転軸の断面２次モーメントが互いに異なっていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記回転軸に所定の曲げモーメントが加えられている場合に、前記検出手段のそれぞれが配置されている部分の回転軸の曲げモーメントが互いに等しくなるように、前記回転軸の断面２次モーメントが互いに異なっていることを特徴とする請求項１に記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の磁歪式トルクセンサを搭載する電動パワーステアリング装置であって、
   前記回転軸は、操舵軸として使用され、
   前記操舵軸の回転を伝達するラックアンドピニオンギヤ機構と、
   前記検出手段と前記ラックアンドピニオンギヤ機構の間に設けられ前記操舵軸を回転自在に支持する軸受けとを備え、
   前記検出手段のそれぞれが配置されている前記回転軸の部分のうち前記軸受けに近い側の前記回転軸の断面２次モーメントが、遠い側の断面２次モーメントよりも大きい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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