JP2009080020A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサの信号ラインの短絡に起因するフェイル状態をも有効に判定することができ、短絡状態下で得られる誤ったトルク検出値を排除することが可能なトルク検出装置を提供する。
【解決手段】第１軸１と第２軸２とを同軸上に連結し、第１軸と一体回転する円筒磁石４と、第２軸２と一体回転する２個一組の磁気ヨーク５，５と，これらの磁気ヨーク５，５の磁束の変化を検出する磁気センサ７とを備えるトルク検出装置において、夫々が異なる出力特性を有する３つの磁気センサ７，７，７を備え、これらの磁気センサ７，７，７の出力比較により信号ライン同士の短絡による異常の判定を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、電動パワーステアリング装置において、操舵のために操舵部材に加えられる操舵トルクを検出すべく用いられるトルク検出装置に関する。

ステアリングホイール等の操舵部材の回転操作に応じて操舵補助用のモータを駆動し、該モータの回転力を舵取機構に伝えて操舵を補助する電動パワーステアリング装置においては、操舵補助用のモータの駆動制御に用いるべく操舵部材に加えられる操舵トルクを検出する必要があり、この検出のために従来においては、操舵部材と舵取機構とを連絡するステアリング軸の中途に構成されたトルク検出装置が用いられている。

このトルク検出装置は、検出対象となるステアリング軸を、捩りばねとしての細径のトーションバーにより同軸上に連結された第１軸と第２軸とに分割し、操舵部材の回転操作によりステアリング軸に操舵トルクが加えられたとき、前記トーションバーの捩れを伴って第１，第２軸間に相対角変位が生じるようにし、この相対角変位を媒介として前記操舵トルクを検出する構成としてある。

第１，第２軸間の相対角変位は、従来から種々の手段により検出されており、そのうちの一つとして、第１軸と一体回転する円筒磁石と、第２軸と一体回転する磁気ヨークとの間の磁気回路の変化を利用するトルク検出装置がある（例えば、特許文献１参照）。

第２軸と一体回転する磁気ヨークは、環状をなすヨーク本体の一側に軸方向に延びる磁極爪を周方向に複数等配してなる軟磁性体製のリングであり、夫々の磁極爪を周方向に交互に位置させて軸長方向に並べた２個を一組として第２軸に固定されている。また第１軸と一体回転する円筒磁石は、磁気ヨークの磁極爪と同数組の磁極を周方向に並設してなる多極磁石であり、第１，第２軸に相対角変位が生じていない中立状態にあるとき、Ｎ，Ｓ極の境界上に前記磁気ヨークの磁極爪が整合するように周方向に位相を合わせて第１軸に固定されている。

２個の磁気ヨークの外側には、軟磁性体製の集磁リングが、夫々のヨーク本体に近接対向するように配置してある。これらの集磁リングは、夫々に連設され所定のエアギャップを隔てて対向する集磁部を備えており、これらの集磁部のエアギャップ内に、ホール素子等の磁気検知素子を用いてなる磁気センサが配してある。

以上の構成により第１軸と第２軸との間に相対角変位が生じた場合、２個の磁気ヨークの磁極爪と円筒磁石の磁極との間に互いに逆向きの位相差が発生し、この位相差に応じた各別の磁気ヨーク内の磁束変化により、夫々の集磁リングの集磁部間のエアギャップに漏洩する磁束が増減することとなり、この増減に応じた磁気センサの出力変化を取り出すことにより第１，第２軸間の相対角変位を検出することができ、第１，第２軸に加わるトルク（操舵トルク）を求めることができる。
特開２００３−１４９０６２号公報

さて、以上の如く構成されたトルク検出装置を電動パワーステアリング装置に適用する場合、操舵トルクの誤検出により操舵補助が不安定となることを排除するためのフェイル対策が不可欠である。

特許文献１に開示されたトルク検出装置においては、集磁リングの周上に２つの磁気センサを配し、これらの出力比較により夫々の磁気センサのフェイル判定を逐次実施して、一方の磁気センサがフェイル状態にあると判定された場合にも他方の磁気センサの出力によるトルク検出を可能として、操舵補助を継続できるようにしてある。更に、３つの磁気センサを備え、相互の出力を比較し、多数数決原理によりフェイル状態にある磁気センサの特定を容易に行えるようにしたトルク検出装置も提案されている。

しかしながら以上のようなフェイル判定は、個々の磁気センサの故障又は異常を対象としているのに対し、正常なトルク検出値が得られないフェイル状態は、夫々の磁気センサの信号ライン同士が短絡することによっても発生する。この場合、相互の出力比較による判定は困難であり、電動パワーステアリング装置における操舵トルクの検出手段として用いた場合、信号ラインが短絡した状態で得られるトルク検出値に基づいて誤った操舵補助がなされ、運転者に違和感を体感させるという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、磁気センサの信号ラインの短絡に起因するフェイル状態をも有効に判定することができ、短絡状態下で得られる誤ったトルク検出値を排除することが可能なトルク検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第１発明に係るトルク検出装置は、同軸上に連結された第１，第２軸の一方と一体回転する円筒磁石と、他方と一体回転する２個一組の磁気ヨークと、これらの磁気ヨークの磁束の変化を検出する磁気センサとを備え、該磁気センサの出力に基づいて前記第１，第２軸に加わるトルクを算出するトルク検出装置において、前記磁気センサを３つ備え、３つの磁気センサは、夫々の出力特性を異ならせてあることを特徴とする。

また本発明の第２発明に係るトルク検出装置は、前記出力特性の相違が、夫々の出力ゲイン又はオフセットであることを特徴とする。

更に本発明の第３発明に係るトルク検出装置は、前記３つの磁気センサが、相互に独立した電源ライン及び接地ラインを備えることを特徴とする。

本発明に係るトルク検出装置においては、ゲイン、オフセット等の出力特性が異なる３つの磁気センサを備えるから、いずれか２つの磁気センサの信号ラインの短絡を、これらの出力と残りの磁気センサの出力との比較により判定することができ、短絡状態下で得られる誤ったトルク検出値を排除することが可能となる。

また３つの磁気センサの電源ライン及び接地ラインが相互に独立させてあるから、電源ライン又は接地ラインの短絡に起因して３つの磁気センサの出力が同時に失陥し、正常なトルク検出値が得られなくなる虞れを排除することができ、例えば、電動パワーステアリング装置における操舵トルクの検出に用いた場合、夫々の磁気センサのフェイル発生時だけでなく、各部の短絡の発生時にも、いずれかの磁気センサの出力を用いて操舵補助を継続する延命制御を実施することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係るトルク検出装置の分解斜視図、図２は、組立て状態を示す縦断面図である。

本発明に係るトルク検出装置は、トーションバー３を介して同軸上に連結された２つの
軸（第１軸１及び第２軸２）に加わるトルクを検出対象とし、第１軸１と一体回転する円筒磁石４と、第２軸２と一体回転する２個一組の磁気ヨーク５，５とを備えている。

トーションバー３は、捩りばねとしての作用をなす細径の丸棒であり、第１軸１と第２軸２とは、夫々の軸心部に形成された連結孔10，20にトーションバー３両端に設けた大径の連結部30，30を内嵌し、後述の如く周方向の位置決めを行った後、各別の連結ピン11，21の打設により一体化せしめて連結されている。このように連結された第１軸１と第２軸２とに回転トルクが加えられた場合、この回転トルクの作用によりトーションバー３が捩れ変形し、第１軸１と第２軸２との間には、加えられた回転トルクの方向に、該回転トルクの大きさに対応する相対角変位が生じる。

第１軸１と一体回転する円筒磁石４は、図１に示すように、各複数のＮ極40，40…及びＳ極41，41…を円周上に並べ、これらの端面及び内面を適宜の厚さを有する樹脂製の保持体42により覆ってなる円筒形の多極磁石として構成されており、図２に示すように、保持体42を介して第１軸１に外嵌固定されている。

第２軸２と一体回転する磁気ヨーク５，５は、図１に示すように、円環状をなすヨーク本体50の内面に、軸方向に延びる複数の磁極爪51，51…を周方向に等配して構成された軟磁性材料製のリングである。磁極爪51，51…は、延設端に向けて縮幅された三角形状を有しており、２個の磁気ヨーク５，５は、夫々の磁極爪51，51…の突設側を向き合わせ、周方向に交互に並べた状態で同軸上に位置決めし、これらを円筒形に成形された樹脂製の保持筒52により一体に保持させて構成されている。

以上の如く構成された磁気ヨーク５，５は、第２軸２の軸端部に、保持筒52の一側の延長部を外嵌させて固定されており、図２に示すように、保持筒52の内側に露出する磁極爪51，51…が、第１軸１に外嵌固定された円筒磁石４の外周面にわずかなエアギャップを隔てて対向し、以下に示す周方向の位置関係を保って組み付けられている。

図３は、磁気ヨーク５，５と円筒磁石４との周方向の位置関係を示す説明図である。図３（ｂ）には、組み付け時の位置関係が示されており、磁気ヨーク５，５と円筒磁石４とは、磁気ヨーク５，５の磁極爪51，51…の夫々が、円筒磁石４の周上に並ぶＮ極40とＳ極41との境界と順次一致するように周方向に位相合わせして組み付けられている。この位相合わせは、トーションバー３による第１軸１と第２軸２との連結に際し、両軸１，２と共に円筒磁石４及び磁気ヨーク５，５の周方向位置を調整することにより実現される。

このような組み付けにより、２個の磁気ヨーク５，５の磁極爪51，51…は、円筒磁石４の周上において互いに相隣するＮ極40とＳ極41との間に形成される磁界内に同一の条件下にて位置し、これらの磁極爪51，51…の基部を連絡するヨーク本体50，50内に生じる磁束は同一となる。

円筒磁石４が固定された第１軸１と磁気ヨーク５，５が固定された第２軸２との間にトーションバー３の捩れを伴って相対角変位が生じた場合、夫々の磁気ヨーク５，５の磁極爪51，51…と円筒磁石４のＮ極40及びＳ極41との位相は、図３（ａ）又は図３（ｃ）に示すように互いに逆向きに変化する。この位相変化が生じた場合、一方の磁気ヨーク５の磁極爪51，51…と他方の磁気ヨーク５の磁極爪51，51…とには、互いに逆の極性を有する磁力線が増加し、夫々のヨーク本体50，50に正負の磁束が発生する。このとき発生する磁束の正負は、円筒磁石４と磁気ヨーク５，５との間、即ち、第１軸１と第２軸２との間に生じる相対角変位の向きに応じて定まり、正負の磁束の密度は、前記相対角変位の大きさに対応する。

磁気ヨーク５，５の外側には、２個の集磁リング６，６が配してある。これらの集磁リング６，６は、ヨーク本体50，50の外径よりもやや大きい内径を有する軟磁性材料製の円環であり、図１に示すように、周方向に適長離隔した３か所に、軸長方向に延び、先端部を径方向外向きに屈曲させてなる集磁突起（集磁部）60，60，60を備えている。２個の集磁リング６，６は、夫々の集磁突起60，60，60の延長側を向き合わせて同軸上に配置し、各集磁突起60，60，60の先端の屈曲部が所定のエアギャップを隔てて対向するように位置決めして、図２に示すように、樹脂製の保持筒61に一体に保持させてある。

このように構成された２個の集磁リング６，６は、図２に一部を示すハウジング８に保持筒61を内嵌し、夫々の集磁リング６，６の内周面が各別の磁気ヨーク５，５のヨーク本体50，50の外周面に近接対向するように組み付けられている。この組み付けにより２個の集磁リング６，６には、夫々の内側に位置するヨーク本体50，50の内部に発生する磁束が誘導される。この磁束は、各別の集磁突起60，60，60の先端に集束され、これらの間のエアギャップに漏れ出す。

集磁リング６，６の各３つの集磁突起60，60，60の間には、ホール素子等の磁気検知素子を用いてなる磁気センサ７，７，７が夫々配してある。磁気センサ７，７，７は、電源回路、信号処理回路等の周辺回路を備える共通の回路基板70に各別のリード71，71…を介して接続されている。図２に示すように回路基板70は、保持筒61の外周の一部に外向きに突設された支持部62に外部に面して支持されている。磁気センサ７，７，７は、各別のリード71，71…により回路基板70に支えられ、対応する集磁突起60，60間に確保されたエアギャップ内に位置決めされており、夫々のエアギャップに漏れ出す磁束の密度に対応する出力を発するようになしてある。

磁気センサ７，７，７の出力は、集磁リング６，６に対向するヨーク本体50，50内部の発生磁束によって変化し、これらの発生磁束は、前述の如く、円筒磁石４に対する夫々の相対角変位、即ち、第１軸１と第２軸２との間の相対角変位に対応し、この相対角変位を生じさせる回転トルクの方向及び大きさに対応する。従って、磁気センサ７，７，７の出力変化に基づいて第１軸１及び第２軸２に加わる回転トルクを検出することができる。

図４は、磁気センサ７，７，７の配線図である。前述の如くホール素子を用いてなる３つの磁気センサ７，７，７は、共通の電源ライン7V及び接地ライン7Gと、各別の信号ライン7S，7S，7Sとを備えており、電源ライン7V及び接地ライン7Gによる電力供給下にて前述の如く発生する出力を各別の信号ライン7S，7S，7Sを経てトルク算出部８に与えるように構成されている。

本発明に係るトルク検出装置において３つの磁気センサ７，７，７は、互いに異なる出力特性を有している。図５は、磁気センサ７，７，７の出力特性例を示す図であり、図の横軸はトルクを、縦軸は、夫々の磁気センサ７，７，７の出力を夫々示している。

図５（ａ）においては、２つの磁気センサ７，７の出力（センサ出力１及びセンサ出力２）が、トルク検出範囲の中央（中立点）において交叉し、この中立点の両側では、トルクの変化に対して互いに逆向きに変化するようにゲイン設定してあり、残りの１つの磁気センサ７の出力（センサ出力３）は、センサ出力１と略等しいゲインを有し、センサ出力１及びセンサ出力２と重ならないようにオフセットされた出力特性を有している。

図５（ｂ）においては、図５（ａ）と同様にセンサ出力１，２を設定し、センサ出力３は、センサ出力１と同向きで異なるゲインを有し、更に適宜のオフセット量を与えるように設定してある。図５（ｃ）においては、ゲイン及びオフセットを適宜に変え、トルク検出範囲の全域において相互に重なりが生じないようにセンサ出力１〜３が設定してある。

トルク算出部８は、３つの磁気センサ７，７，７の出力を各別の信号ライン7S，7S，7Sを介して取込み、これらの出力（センサ出力１〜３）を用いて第１，第２軸１，２に加わるトルクを算出する。この算出手順を、図５（ａ）の出力特性が設定されている場合について説明する。

トルク算出部８は、センサ出力１〜３の夫々を用いてトルクを算出し、これらの算出結果を比較する。トルクの算出は、図５（ａ）に示すようなマップに適用することにより実施することができる。

この場合センサ出力３は、センサ出力１，２のフェイル判定のために用いられる。トルク算出部８は、前述した比較の結果、センサ出力１，２による算出トルクのいずれかと、センサ出力３による算出トルクとの間に予め定めた有意差が存在する場合、対応するセンサ出力１又はセンサ出力２が異常であると判定する。なお、フェイル判定用のセンサ出力３を得るための磁気センサ７は、他の２つの磁気センサ７，７と同等の信頼性は不要であり、安価なセンサを用いることができる。

センサ出力１，２の両方が正常である場合、トルク算出部８は、センサ出力１，２の差を求め、この差から正規のトルク算出を実施する。センサ出力１，２は、図５（ａ）に示すように逆向きのゲインを有しており、両出力の差は、トルクの変化に対して大なる変化率を有するから、トルクの算出精度を高めることができる。またセンサ出力１，２の差を求めることにより、センサ出力１，２の夫々に重畳されるノイズ成分が相殺されるから、ノイズの影響を排除してトルクの算出精度を一層高めることができる。

センサ出力１及びセンサ出力２のいずれかが異常である場合、トルク算出部８は、正常なセンサ出力１又はセンサ出力２のみを用いてトルク算出を実施する。このようにして得られたトルク算出値は、異常状態下でのトルク値として用いられ、例えば、電動パワーステアリング装置における操舵トルクの検出のために用いる場合には、車両を安全な位置に移動させることを目的とする緊急時の操舵制御（延命制御）のために使用される。この場合、警報の発生、適宜の表示等の報知手段により、運転者の異常の発生を報知するのが望ましい。

一方、センサ出力１，２の異常は、磁気センサ７，７，７の信号ライン7S，7S，7S間の短絡によっても生じる。トルク算出部８は、センサ出力１〜３を相互に比較することにより、以下に示すように短絡による異常の発生を判定することができる。

前述の如くセンサ出力３は、センサ出力１及びセンサ出力２と重ならないような出力特性を有しているから、センサ出力１〜３の比較の結果、センサ出力１又はセンサ出力２とセンサ出力３とが一致している場合、一致したセンサ出力１又はセンサ出力２が短絡による異常状態にあると判定することができる。

一方、センサ出力１とセンサ出力２との一致は、前述の如く中立点においても生じるから、センサ出力１とセンサ出力２との間に生じる短絡は、両者の一致のみによって判定することはできないが、この後に生じるセンサ出力１及びセンサ出力２の変化の方向と、残りのセンサ出力３の変化の方向とを監視し、両者が一致している場合には、逆向きにゲイン設定がなされたセンサ出力２が異常状態にあり、両者が相違している場合には、同向きにゲイン設定がなされたセンサ出力１が異常状態にあると判定することができる。この判定は、図５（ｂ）又は図５（ｃ）に示す出力特性が設定されている場合にも同様に実施可能である。

このような短絡による異常判定がなされた場合トルク算出部８は、磁気センサ７，７，７自体の異常発生時における場合と同様、正常なセンサ出力１又はセンサ出力２のみを用いてトルク算出を行う。このようにして得られるトルク算出値は、異常状態下でのトルク値として用いられ、例えば、電動パワーステアリング装置における操舵トルクの検出のために用いる場合には、車両を安全な位置に移動させることを目的とする緊急時の操舵制御（延命制御）のために使用される。

トルク算出部８においては、前述の如く判定される信号ライン7S，7S，7S間の短絡による異常と、磁気センサ７，７，７自体の故障による異常との判別が可能であるから、異常発生後の対策を速やかに実施することができる。

図６は、本発明の他の実施の形態を示す磁気センサの配線図である。本図において３つの磁気センサ７，７，７は、各別の電源ライン7V，7V，7V及び接地ライン7G，7G，7Gを備えており、これらの電源ライン7V，7V，7V及び接地ライン7G，7G，7Gによる電力供給下にて各磁気センサ７，７，７が発生する出力を各別の信号ライン7S，7S，7Sを経てトルク算出部８に与えるように構成されている。

この実施の形態においては、磁気センサ７，７，７の電源ライン7V，7V，7V又は接地ライン7G，7G，7Gが同時に短絡し、３つの磁気センサ７，７，７の出力の全てが失陥する虞れがない。電源ライン7V，7V，7V又は接地ライン7G，7G，7Gの短絡による異常は、磁気センサ７，７，７自体の異常発生時と同様、夫々の出力の相互比較により判定することができ、電源ライン7V又は接地ライン7Gが短絡した磁気センサ７の異常な出力を排除し、残りの磁気センサ７，７の正常な出力を用いてトルク算出を実施することが可能となる。

なお、このようにして得られるトルク算出値も、異常状態下でのトルク値として用いられ、例えば、電動パワーステアリング装置における操舵トルクの検出のために用いる場合には、車両を安全な位置に移動させることを目的とする緊急時の操舵制御（延命制御）のために使用される。この場合、警報の発生、適宜の表示等の報知手段により、運転者に異常の発生を報知するのが望ましい。

この実施の形態においても、夫々の磁気センサ７，７，７の故障及び夫々の信号ライン7S，7S，7Sの短絡による異常の判定をなし得るから、電源ライン7V，7V，7V又は接地ライン7G，7G，7Gの短絡を含めたあらゆるフェイル事象に対応することができる。

本発明に係るトルク検出装置の分解斜視図である。 本発明に係るトルク検出装置の組立て状態を示す縦断面図である。 磁気ヨークと円筒磁石との周方向の位置関係を示す説明図である。 磁気センサの配線図である。 磁気センサの出力特性例を示す図である。 本発明の他の実施の形態を示す磁気センサの配線図である。

符号の説明

１ 第１軸、２ 第２軸、４ 円筒磁石、５ 磁気ヨーク、７ 磁気センサ、7S 信号ライン、８ トルク算出部

Claims (3)

1. 同軸上に連結された第１，第２軸の一方と一体回転する円筒磁石と、他方と一体回転する２個一組の磁気ヨークと、これらの磁気ヨークの磁束の変化を検出する磁気センサとを備え、該磁気センサの出力に基づいて前記第１，第２軸に加わるトルクを算出するトルク検出装置において、
   前記磁気センサを３つ備え、３つの磁気センサは、夫々の出力特性を異ならせてあることを特徴とするトルク検出装置。
2. 前記出力特性の相違は、夫々の出力ゲイン又はオフセットである請求項１記載のトルク検出装置。
3. 前記３つの磁気センサは、相互に独立した電源ライン及び接地ラインを備える請求項１又は請求項２記載のトルク検出装置。

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