JP2010190704A - トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクセンサにおいて、それぞれのコイル対が発生する磁束の干渉による影響を低減すること。
【解決手段】トルクセンサ２０は、トーションバー２４で連結された第１回転軸２２と第２回転軸２６との相対的な変位をインピーダンスの変化に反映させて検出する第１コイル対２２Ａ及び第２コイル対２２Ｂを備える。第１コイル対２２Ａと第２コイル対２２Ｂとには、それぞれ異なる発振器６０Ｂから励磁電流が供給される。第１コイル対２２Ａと第２コイル対２２Ｂとの間には、導電性かつ非磁性の磁気遮蔽体２７が設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸に作用しているトルクをコイルのインピーダンス変化に反映させて検出するものにおいて、複数のコイルを備えることで冗長性を持たせたトルクセンサ及び電動パワーステアリング装置に関する。

トルクセンサは、回転軸に作用しているトルクを検出するものである。トルクセンサには、例えば、回転軸に作用しているトルクをコイルのインピーダンス変化に反映させ、そのインピーダンス変化を検出することにより前記トルクを検出するものがある。特許文献１には、複数のリング状のコイルを回転軸方向に配列し、コイル間の干渉の問題を回避するために、磁性体又は反磁性体からなる磁気シールド用のケーシングをコイルに取り付ける技術が開示されている。

特開２００２−３１０８１６号公報［００４７］、図４

近年においては、２以上のコイルを備え、一つのコイルに不具合が発生した場合には、予備のコイルを用いてトルクの検出を継続できるように冗長化したトルクセンサが提案されている。特許文献１に開示された技術は、複数のコイルを一つの励磁手段（交流源）で励磁する。このため、発振器に不具合が生じた場合には、いずれのコイルでもトルクを検出できないおそれがあり、信頼性を向上させるためには改善の余地がある。

また、特許文献１に開示された技術において、磁性体で構成されたケーシングを用いる場合、磁気シールド効果は得られない。そして、反磁性体で構成されたケーシングを用いる場合でも、反磁性効果自体が非常に小さいため、磁気シールド効果は非常に小さい。このように、特許文献１に開示された技術は、トルクセンサにおいて、複数のコイルが発生する磁束の干渉による影響を低減することについては改善の余地がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数のコイル対を備えることで冗長化したトルクセンサの信頼性を向上させること、複数のコイル対を有するトルクセンサにおいて、それぞれのコイル対が発生する磁束の干渉による影響を低減することのうち、少なくとも一方を達成することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るトルクセンサは、トーションバーのねじれを利用してトルクを検出するものであり、トルクが入力されることでねじれが発生するトーションバーと、当該トーションバーの一端部に設けられるとともに、軸方向へ向かう凹部が外周部に形成される第１回転軸と、当該第１回転軸の外周部を囲む円筒部材と、当該円筒部材が設けられるとともに、前記トーションバーの他端部に設けられる第２回転軸と、前記円筒部材の外側に、当該円筒部材の軸方向に向かって少なくとも２組設けられるとともに、別個の異なる発振器によってそれぞれに励磁電流が供給されるコイル対と、前記円筒部材の側部であって、それぞれの前記コイル対と対向する位置に設けられて、前記第１回転軸と前記第２回転軸との相対的な変位に応じて前記凹部との重なり具合が変化する窓と、を備えることを特徴とする。

本発明の好ましい態様としては、前記トルクセンサにおいて、隣接する前記コイル対同士の間に配置されて、前記コイル対が発生する磁束により渦電流を発生させる導電性かつ非磁性の磁気遮蔽体を備えることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記トルクセンサにおいて、前記磁気遮蔽体は、少なくとも当該磁気遮蔽体の軸方向に対しては一つの構造体として構成されることが望ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るトルクセンサは、トーションバーのねじれを利用してトルクを検出するものであり、トルクが入力されることでねじれが発生するトーションバーで連結された第１回転軸と第２回転軸との相対的な変位をインピーダンスの変化に反映させて検出する少なくとも２組のコイル対と、隣接する前記コイル対同士の間に配置されて、前記コイル対が発生する磁束により渦電流を発生させる磁気遮蔽体と、を備えることを特徴とする。

本発明の好ましい態様としては、前記トルクセンサにおいて、前記磁気遮蔽体は、少なくとも当該磁気遮蔽体の軸方向に対しては一つの構造体として構成されることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記トルクセンサにおいて、前記第１回転軸の外周部に形成される、当該第１回転軸の軸方向に向かう凹部と、前記第１回転軸の外周部を囲む円筒部材と、前記円筒部材の側部であって、それぞれの前記コイル対と対向する位置に設けられて、前記第１回転軸と前記第２回転軸との相対的な変位に応じて前記凹部との重なり具合が変化する窓と、を有し、前記第１回転軸は、前記トーションバーの一端部に設けられ、前記第２回転軸は、前記トーションバーの他端部に設けられ、かつ、前記円筒部材が設けられ、それぞれの前記コイル対は、前記円筒部材の外側に、当該円筒部材の軸方向に向かって設けられることが望ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電動パワーステアリング装置は、請求項１から５のいずれか１項に記載のトルクセンサの第１の回転軸と第２の回転軸とをステアリングシャフトに取り付けて、操舵トルクを検出することを特徴とする。

本発明は、複数のコイル対を備えることで冗長化したトルクセンサの信頼性を向上させること、複数のコイル対を有するトルクセンサにおいて、それぞれのコイル対が発生する磁束の干渉による影響を低減することのうち、少なくとも一方を達成できる。

図１は、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図である。 図２は、本実施形態に係るトルクセンサを示す斜視図である。 図３は、本実施形態に係るトルクセンサを示す断面図である。 図４は、本実施形態に係るトルクセンサを示す斜視図である。 図５は、本実施形態に係るトルクセンサの円筒部材の側面図である。 図６は、本実施形態に係るトルクセンサの信号処理回路を示す図である。 図７−１は、差動アンプから出力されたコイルの信号を示す模式図である。 図７−２は、整流されたコイルの信号を示す模式図である。 図７−３は、平滑化されたコイルの信号を示す模式図である。 図８は、本実施形態に係るトルクセンサを示す一部断面図である。 図９−１は、差動アンプから出力されたコイルの信号を示す模式図である。 図９−２は、整流されたコイルの信号を示す模式図である。 図９−３は、平滑化されたコイルの信号を示す模式図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための形態（以下、実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。本実施形態では、本発明に係るトルクセンサを電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ：Electric Power Steering）に適用した例を説明するが、本発明の適用対象は電動パワーステアリング装置に限定されるものではない。また、本発明を電動パワーステアリング装置に適用する場合でも、その方式は問わない。

まず、図１を用いて、本実施形態に係るトルクセンサを備える電動パワーステアリング装置の概要を説明する。図１に示すように、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１の操作によりステアリングシャフト２に発生する操舵トルクをトルク検出手段であるトルクセンサ２０で検出し、その検出信号に基づいて、ＥＣＵ（Electric Control Unit）５０が電動機１２を駆動制御して補助操舵トルクを発生させて、ステアリングホイール１の操舵力を補助する。

ステアリングホイール１に連結されたステアリングシャフト２は、運転者の操舵力が入力される入力軸２ａと、入力された操舵力を出力する出力軸２ｂとを有する。本実施形態において、入力軸２ａ及び出力軸２ｂは、鉄等の磁性材料から形成されている。入力軸２ａと出力軸２ｂとの間には、トルクセンサ２０及び減速ギヤ１１が設けられる。

ステアリングシャフト２の出力軸２ｂに伝達された運転者の操舵力は、操舵機構に伝達される。具体的には、出力軸２ｂに伝達された運転者の操舵力は、ユニバーサルジョイント４を介してロアシャフト５に伝達され、さらにユニバーサルジョイント６を介してピニオンシャフト７に伝達される。ピニオンシャフト７に伝達された前記操舵力は、ステアリングギヤ８を介してタイロッド９に伝達され、操舵輪を転舵させる。

ステアリングギヤ８は、ピニオンシャフト７に連結されたピニオン８ａと、ピニオン８ａに噛み合うラック８ｂとを有するラックアンドピニオン形式として構成される。このようなステアリングギヤ８によって、ピニオン８ａに伝達された回転運動をラック８ｂで直進運動に変換している。

ステアリングシャフト２の出力軸２ｂには、補助操舵トルクを出力軸２ｂに伝達する補助操舵機構３が連結されている。補助操舵機構３は、出力軸２ｂに連結された減速ギヤ１１と、減速ギヤ１１に連結されかつ補助操舵トルクを発生させる電動機１２とを有している。なお、ステアリングシャフト２及びトルクセンサ２０及び減速ギヤ１１によりステアリングコラムが構成されており、電動機１２は、前記ステアリングコラムの出力軸２ｂに補助操舵トルクを与える。すなわち、本実施形態における電動パワーステアリング装置１０は、コラムアシスト方式となっている。

トルクセンサ２０は、ステアリングホイール１を介して入力軸２ａに伝達された運転者の操舵力を操舵トルクとして検出するものである。トルクセンサ２０の構成については後述する。電動機１２の駆動を制御するＥＣＵ５０には、電源（例えば車載のバッテリ）１５から電力が供給される。なお、イグニッションスイッチ１４がオンの状態で、電源１５からＥＣＵ５０へ電力が供給される。

ＥＣＵ５０は、トルクセンサ２０で検出された操舵トルクＴ及び車速センサ１６で検出された走行速度Ｖに基づいてアシスト指令の補助操舵指令値を算出し、その算出された補助操舵指令値に基づいて電動機１２への供給電流値を制御する。本実施形態において、トルク検出装置１００は、トルクセンサ２０と、ＥＣＵ５０内に設けられてトルクセンサ２０へ励磁電流を供給する発振器と、同じくＥＣＵ５０内に設けられるトルクセンサ２０の信号処理回路とを含んで構成される。

次に、図２〜図５を用いて、上述した電動パワーステアリング装置１０が備えるトルクセンサ２０の構成を説明する。トルクセンサ２０は、棒のねじれを利用してトルクを検出するものである。図２〜図５に示すように、トルクセンサ２０は、トーションバー２４と、第１回転軸２１と、円筒部材２５と、第２回転軸２６と、コイル対２２Ａ、２２Ｂと、磁気遮蔽体２７と、円筒部材２５に設けられる窓２５Ａ、２５Ｂとを含む。

トーションバー２４は、一端部が第１回転軸２１に、他端部（第１回転軸２１に取り付けられる側の端部とは反対側の端部）が第２回転軸２６に取り付けられる。トーションバー２４の一端部には第１回転軸２１が設けられ、他端部には第２回転軸２６が設けられる。第１回転軸２１は、その連結部２１ｉが図１に示すステアリングシャフト２の入力軸２ａに連結される。また、第２回転軸２６は、その連結部２６ｏが図１に示すステアリングシャフト２の出力軸２ｂに連結される。第１回転軸２１及び第２回転軸２６は、電動パワーステアリング装置１０の筐体に、軸受を介して回転可能に支持される。

なお、第１回転軸２１の連結部２１ｉをステアリングシャフト２の入力軸２ａと一体に、第２回転軸２６の連結部２６ｏをステアリングシャフト２の出力軸２ｂと一体に形成してもよい。また、第１回転軸２１の連結部２１ｉを図１に示すステアリングシャフト２の出力軸２ｂに連結し、第２回転軸２６の連結部２６ｏを入力軸２ａに連結してもよい。

上記構成によりステアリングシャフト２の入力軸２ａと、第１回転軸２１と、トーションバー２４と、第２回転軸２６と、ステアリングシャフト２の出力軸２ｂとは同軸に配置される。本実施形態において、第１回転軸２１とトーションバー２４の一端部とはスプライン結合され、また、トーションバー２４の他端部と第２回転軸２６とはスプライン結合される。トーションバー２４は、トルクが入力されることでねじれが発生する。本実施形態では、図１に示すステアリングシャフト２の入力軸２ａから第１回転軸２１を介して入力された操舵トルクによって、トーションバー２４にねじれが発生する。ここで、運転者が図１に示すステアリングホイール１を操舵することによって発生した操舵力は、ステアリングシャフト２の入力軸２ａ、トーションバー２４、ステアリングシャフト２の出力軸２ｂを介して、図１に示すステアリングギヤ８へ伝達される。

図２、図４に示すように、第１回転軸２１は、略円筒形状の部材である。第１回転軸２１は、その軸Ｚｓ方向に向かう凹部２１Ｕが外周部に形成される。本実施形態においては、複数の凹部２１Ｕが第１回転軸２１の周方向に向かって配置されており、隣接する凹部２１Ｕの間には凸部２１Ｔが形成される。図３に示すように、第１回転軸２１は、円筒部材２５の内部に配置されている。そして、第１回転軸２１は、少なくとも円筒部材２５と対向する部分が鉄等の磁性材料で構成される。

円筒部材２５は、第２回転軸２６の連結部２６ｏとは反対側に設けられる。円筒部材２５は、非磁性の導電体（例えばアルミニウムやアルミニウム合金等）で構成されており、本実施形態では、第２回転軸２６とは別部品で構成されて、第２回転軸２６に取り付けられる。円筒部材２５の内部には第１回転軸２１が配置されており、これによって、円筒部材２５は、第１回転軸２１の外周部を囲んでいる。また、円筒部材２５の側部には、複数の窓（開口）２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂが設けられる。

図２〜図３に示すように、円筒部材２５の外側には、円筒部材の軸Ｚｓ方向に向かって、少なくとも２個のコイル対２２Ａ、２２Ｂが配列されて設けられる。本実施形態では、２個のコイル対２２Ａ、２２Ｂが設けられるが、コイル対の数はこれに限定されるものではない。コイル対２２Ａは、同一規格のコイル２２Ａａ、２２Ａｂが組み合わされてコイル対を構成し、円筒形状のヨーク２３Ａ内に配置される。また、コイル対２２Ｂは、同一規格のコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂが組み合わされてコイル対を構成し、円筒形状のヨーク２３Ｂ内に配置される。ヨーク２３Ａ、２３Ｂは、磁性体で構成される。以下において、コイル対２２Ａを第１コイル対２２Ａといい、コイル対２２Ｂを第２コイル対２２Ｂという。

トルクセンサは、トーションバー２４で連結された第１回転軸２２と第２回転軸２６との相対的な変位（回転変位）を、第１コイル対２２Ａあるいは第２コイル対２２Ｂのインピーダンスの変化に反映させて検出するものである。本実施形態において、第１コイル対２２Ａを構成するコイル２２Ａａ、２２Ａｂ（第２コイル対２２Ｂを構成するコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂも同様）は、第１回転軸２２と第２回転軸２６との相対的な変位によって、インピーダンスが互いに逆方向に変化するように構成される。これによって、温度等によるトルク以外の要因によるコイルのインピーダンス変化を相殺する。ここで、第１コイル対２２Ａを構成するコイル２２Ａａ、２２Ａｂ及び第２コイル対２２Ｂを構成するコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂは、環状のコイルであって、プラスチック等の不導体かつ非磁性体からなる環状の部材に、その周方向に向かって巻き線が巻き付けられて構成される。

トルクセンサ２０は、第１コイル対２２Ａ及び第２コイル対２２Ｂを備える。これによって、トルクセンサ２０は、一方のコイル対及びその信号処理回路に不具合が発生した場合でも不具合の発生していないコイル対及びその信号処理回路を用いてトルクの検出を継続する。このように、トルクセンサ２０は、第１コイル対２２Ａ及び第２コイル対２２Ｂを備えることで、冗長化されている。

トルクセンサ２０は、第１コイル対２２Ａと第２コイル対２２Ｂとの間に、第１コイル対２２Ａ及び第２コイル対２２Ｂが発生する磁束により渦電流を発生させる磁気遮蔽体２７が配置される。磁気遮蔽体２７は、非磁性の導電体（例えば、常磁性体のアルミニウム）である。

図４に示すように、円筒部材２５の側部に設けられる窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂは、円筒部材２５の外周部に配置される第１コイル対２２Ａ及び第２コイル対２２Ｂと対向する位置に設けられる。窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂは、円筒部材２５の周方向に向かって等間隔で複数（本実施形態ではそれぞれ９個）形成される長方形の開口である。窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂは、長辺が円筒部材２５の軸Ｚｓと平行になるように、円筒部材２５に設けられる。

窓２５Ａａは、第１コイル対２２Ａのコイル２２Ａａと対向する位置に形成され、窓２５Ａｂは、第１コイル対２２Ａのコイル２２Ａｂと対向する位置に形成される。また、窓２５Ｂａは、第２コイル対２２Ｂのコイル２２Ｂａと対向する位置に形成され、窓２５Ｂｂは、第２コイル対２２Ｂのコイル２２Ｂｂと対向する位置に形成される。ここで、図４のＩＮは、トルクセンサ２０の第１回転軸２１側を示し、ＯＵＴは第２回転軸２６側を示す。

図２、図４に示すように、窓２５Ａａと窓２５Ａｂとは、円筒部材２５の周方向における位相が１８０度ずれるように配置される。同様に、窓２５Ｂａと窓２５Ｂｂとは、円筒部材２５の周方向における位相が１８０度ずれるように配置される。また、窓２５Ａａと窓２５Ｂａとは、円筒部材２５の周方向における位相が一致し、同様に、窓２５Ａｂと窓２５Ｂｂとは、円筒部材２５の周方向における位相が一致する。

第１回転軸２１の円筒部材２５に包囲された部分の外周面に形成される凹部２１Ｕ及び凸部２１Ｔは、それぞれ周方向に向かって複数設けられる。第１回転軸２１に設けられる凹部２１Ｕ及び凸部２１Ｔの数は、窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂの数と同数である。したがって、本実施形態では、凹部２１Ｕ及び凸部２１Ｔはそれぞれ９個である。ここで、円筒部材２５の外周面を周方向にＮ（この例ではＮ＝９）等分した角度を一周期角度θ（＝３６０／Ｎ、この例ではθ＝４０度）とする。

そして、第１コイル対２２Ａのコイル２２Ａａ及び第２コイル対２２Ｂのコイル２２Ｂａと対向する円筒部材２５の部分においては、一周期角度θの一方の端から所定角度の部分が窓２５Ａａ、窓２５Ｂａとなり、残りの部分は塞がっている。また、第１コイル対２２Ａのコイル２２Ａｂ及び第２コイル対２２Ｂのコイル２２Ｂｂと対向する円筒部材２５の部分においては、窓２５Ａａ、窓２５Ｂａとの位相が半周期（θ／２）ずれるように、一周期角度θの他方の端から所定角度の部分が２５Ａｂ、２５Ｂｂとなり、残りの部分が塞がっている。

ここで、トーションバー２４にねじれが発生していないとき、すなわち、操舵トルクが０のときには、図５に示すように、窓２５Ａａ、２５Ｂａの周方向幅中央部と、第１回転軸２１の周方向における凹部２１Ｕの一方の端部とが重なり、窓２５Ａｂ、２５Ｂｂの周方向幅中央部と、第１回転軸２１の周方向における凹部２１Ｕの他方の端部とが重なり合うようになっている。したがって、窓２５Ａａ、２５Ｂａと凹部２１Ｕとの重なり状態と、窓２５Ａｂ、２５Ｂｂと凹部２１Ｕとの重なり状態とは、第１回転軸２１及び円筒部材２５の周方向で逆になっている。ここで、図５に示すように、窓２５Ａａ、２５Ｂａ、２５Ａｂ、２５Ｂｂの短辺の長さはＬなので、窓２５Ａａ、２５Ｂａ、２５Ａｂ、２５Ｂｂの周方向幅中央部は、窓２５Ａａ、２５Ｂａ、２５Ａｂ、２５Ｂｂの長辺から円筒部材２５の周方向に向かってＬ／２の位置である。

トルクセンサ２０の第１回転軸２１からトルクが入力されて、すなわち、操舵トルクが発生して、トーションバー２４にねじれが発生すると、第１回転軸２１と円筒部材２５との間に、相対的な変位（回転変位）が発生する。すなわち、トーションバー２４にねじれが発生すると、第１回転軸２１と円筒部材２５が設けられる第２回転軸２６との間に、相対的な変位（回転変位）が発生する。

すると、窓２５Ａａ、２５Ｂａの周方向幅中央部から一方の長辺に向かって、第１回転軸２１の周方向における凹部２１Ｕの一方の端部が移動する。同様に、窓２５Ａｂ、２５Ｂｂの周方向幅中央部から他方の長辺に向かって、第１回転軸２１の周方向における凹部２１Ｕの他方の端部が移動する。これによって、窓２５Ａａ、２５Ｂａ、２５Ａｂ、２５Ｂｂと凹部２１Ｕとの重なり具合が変化する。このように、窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂは、第１回転軸２１と第２回転軸２６との相対的な変位（回転変位）に応じて、第１回転軸２１の外周部に設けられた凹部２１Ｕとの重なり具合が変化する。

次に、図６を用いて、トルクセンサ２０の第１信号処理回路５７Ａ、第２信号処理回路５７Ｂ及び電動パワーステアリング装置１０の制御回路を説明する。これらは、ＥＣＵ５０内に設けられる。第１信号処理回路５７Ａは、第１コイル対２２Ａの出力信号に対して信号処理を行い、第２信号処理回路５７Ｂは、第２コイル対２２Ｂの出力信号に対して信号処理を行う。

第１コイル対２２Ａには、第１発振器６０Ａが電気的に接続され、第１発振器６０Ａによって第１コイル対２２Ａを構成するコイル２２Ａａ、２２Ａｂに励磁電流が供給される。また、第２コイル対２２Ｂには、第２発振器６０Ｂが電気的に接続され、第２発振器６０Ｂによって第２コイル対２２Ｂを構成するコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂに励磁電流が供給される。第１発振器６０Ａ及び第２発振器６０Ｂは、所定の励磁周波数の交流電流を生成する。このように、本実施形態では、トルクセンサ２０の第１コイル対２２Ａ及び第２コイル対２２Ｂに対応して、それぞれ別個の異なる第１発振器６０Ａ及び第２発振器６０Ｂが用意されており、第１コイル対２２Ａと第２コイル対２２Ｂとは、それぞれ異なる発振器から励磁電流が供給される。

第１コイル対２２Ａを構成するコイル２２Ａａ、２２Ａｂの一方の端子は、それぞれ電気抵抗６１Ａａ、６１Ａｂを介して第１発振器６０Ａと電気的に接続される。また、第１コイル対２２Ａを構成するコイル２２Ａａ、２２Ａｂの他方の端子は接地される。同様に、第２コイル対２２Ｂを構成するコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂの一方の端子は、それぞれ電気抵抗６１Ｂａ、６１Ｂｂを介して第２発振器６０Ｂと電気的に接続される。また、第２コイル対２２Ｂを構成するコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂの他方の端子は接地される。

第１コイル対２２Ａの出力信号は、第１コイル対２２Ａを構成するコイル２２Ａａ、２２Ａｂの端子電圧であり、第２コイル対２２Ｂの出力信号は、第２コイル対２２Ｂを構成するコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂの端子電圧である。第１信号処理回路５７Ａは、差動アンプ５１Ａ、整流・平滑回路５２Ａ及びノイズ除去フィルタ５４Ａを有する。また、第２信号処理回路５７Ｂは、差動アンプ５１Ｂ、整流・平滑回路５２Ｂ及びノイズ除去フィルタ５４Ｂを有する。

差動アンプ５１Ａは、第１コイル対２２Ａを構成するコイル２２Ａａ、２２Ａｂの出力差、すなわち、コイル２２Ａａ、２２Ａｂの端子電圧の差（端子電圧差）を増幅して出力する。第１コイル対２２Ａのみに励磁電流を流した場合、その出力は、例えば、図７−１に示すようになる。整流・平滑回路５２Ａは、差動アンプ５１Ａの出力を整流、及び平滑して出力する。整流・平滑回路５２Ａによって整流された端子電圧差は、例えば、図７−２に示すようになり、これが整流・平滑回路５２Ａによって平滑化されると、図７−３に示すように、平滑化された出力（平滑化信号）Ｖｔが得られる。ノイズ除去フィルタ５４Ａは、整流・平滑回路５２Ａの出力から高周波ノイズ成分を除去して出力する。第１信号処理回路５７Ａ及び第２信号処理回路５７Ｂはいずれも同一の構成なので、第２コイル対２２Ｂの出力信号も、第２信号処理回路５７Ｂによって、第１信号処理回路５７Ａが第１コイル対２２Ａの出力信号を処理したように処理される。

図１に示す電動パワーステアリング装置１０の電動機１２を制御する場合、トルクセンサ２０によって検出された操舵トルクが用いられる。この場合、通常は、トルクセンサ２０を構成する第１コイル対２２Ａ又は第２コイル対２２Ｂのいずれか一方の出力信号が、トルクセンサ２０の出力信号として用いられる。トルクセンサ２０は、第１コイル対２２Ａ及び第１信号処理回路５７Ａによる第１トルク検出系統と、第２コイル対２２Ｂ及び第２信号処理回路５７Ｂによる第２トルク検出系統とによって冗長化されている。これによって、第１トルク検出系統と第２トルク検出系統との一方に不具合が生じた場合、ＥＣＵ５０は他方に切り替えて、電動パワーステアリング装置１０の操舵トルクの検出を継続する。

ＥＣＵ５０のトルク演算部５５は、ノイズ除去フィルタ５４Ａ又はノイズ除去フィルタ５４Ｂの出力（例えば、平均値）に基づいて、第１回転軸２１と円筒部材２５との相対回転変位の方向及び大きさを演算し、その演算結果に、例えば、所定の比例定数を乗じて、操舵系に発生している操舵トルクを求める。電動機制御部５６は、トルク演算部５５の演算結果に基づいて、運転者による操舵トルクを軽減する操舵補助トルクを発生できる駆動電流Ｉｃを電動機１２に供給する。

次に、トルクセンサ２０の動作を説明する。今、操舵系が直進状態にあり、運転者による操舵トルクが０であるものとすると、トルクセンサ２０の第１回転軸２１と第２回転軸２６との間には相対回転は生じない。したがって、第１回転軸２１と円筒部材２５との間にも相対回転は生じない。一方、ステアリングホイール１を操舵してステアリングシャフト２の入力軸２ａから第１回転軸２１へ回転力が入力されると、その回転力は、トーションバー２４を介して第２回転軸２６へ伝達される。このとき、第２回転軸２６には、操舵輪及び路面間の摩擦力やステアリングギヤ８の噛み合い等の摩擦力に応じた抵抗力が生じる。このため、第１回転軸２１と第２回転軸２６との間には、トーションバー２４がねじれることによって第１回転軸２１が遅れる相対回転が発生し、第１回転軸２１と第２回転軸２６及び円筒部材２５との間には相対回転が生じる（図４の矢印Ｒ１、Ｒ２方向）。

円筒部材２５は導電性、かつ非磁性の材料なので、円筒部材２５に窓がない状態では、第１コイル対２２Ａあるいは第２コイル対２２Ｂに交流電流を流してコイル内部に交番磁界を生じさせると、円筒部材２５の外周面にコイル電流と反対方向の渦電流が発生する。この渦電流による磁界とコイルによる磁界とを重ね合わせると、円筒部材２５の内側の磁界は相殺される。円筒部材２５に窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂを設けた場合、円筒部材２５の外周面に生じた渦電流は、窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂによって円筒部材２５の外周面を周回できない。このため、窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂの端面に沿って円筒部材２５の内周面側に回り込み、円筒部材２５の内周面をコイル電流と同方向に流れ、また隣の窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂの端面に沿って外周面側に戻り、ループを形成する。

すなわち、コイルの内側に、渦電流のループを周方向に周期的に（θ＝３６０／Ｎ）配置した状態となる。コイルに流れる電流が作る磁界と渦電流の作る磁界とは重ね合わされ、円筒部材２５の内外には、円筒部材２５の周方向に周期的な磁界の強弱と、さらに円筒部材２５の中心、すなわち円筒部材２５の軸Ｚｓに向かうほど小さくなる勾配を持った磁界が形成される。円筒部材２５の周方向における磁界の強弱は、隣り合う渦電流の影響を強く受ける窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂの中心部分で強く、そこから半周期（θ／２）ずれたところが弱くなる。

そして、円筒部材２５の内側には、磁性材料からなる第１回転軸２１が同軸に配設され、その第１回転軸２１には、凹部２１Ｕと凸部２１Ｔとが窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂと同じ周期を持って形成されている。ここで、磁界中に置かれた磁性体（トルクセンサ２０では、第１回転軸２１）は磁化して、自発磁化（磁束）を発するが、その量は飽和に至るまでは磁界の強さに応じて大きくなる。このため、円筒部材２５によって作られる円筒部材２５の周方向に周期的な磁界の強弱と、円筒部材２５の半径方向に勾配を持つ磁界とによって、第１回転軸２１の自発磁化は、第１回転軸２１と円筒部材２５との相対的な位相が変化することによって増減する。ここで、第１回転軸２１の自発磁化が最大となる位相は、窓２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂの中心と凸部２１Ｔの中心とが一致した状態である。

そして、第１回転軸２１の自発磁化の増減に応じて、第１コイル対２２Ａを構成するコイル２２Ａａ、２２Ａｂ、あるいは第２コイル対２２Ｂを構成するコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂのインダクタンスも増減し、その変化は、ほぼ正弦波状となる。ここで、本実施形態において、トルクセンサ２０にトルクが作用しない状態においては、第１回転軸２１の自発磁化（インダクタンス）が最大となる位相に対して１／４周期（θ／４）ずれた状態となっている。さらに、ステアリングシャフト２の入力軸２ａに近い側の窓列と他方の窓列との位相は、前述のように１／２周期（θ／２）の位相差としてある。

このため、トルクセンサ２０へ与えられるトルクによって円筒部材２５と第１回転軸２１とに位相差が生じると、第１コイル対２２Ａを構成する二つのコイル２２Ａａ、２２Ａｂ、あるいは第２コイル対２２Ｂを構成する二つのコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂのインダクタンスの一方は増加し、他方は同じ割合で減少する。二つのコイル２２Ａａ、２２Ａｂ（あるいは二つのコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂ）のインダクタンスがこのように変化すれば、第１発振器６０Ａあるいは第２発振器６０Ｂから供給される励磁電流の励磁周波数が一定という条件下では、二つのコイル２２Ａａ、２２Ａｂ（あるいは二つのコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂ）のインピーダンスも同様の傾向で変化する。その結果として、二つのコイル２２Ａａ、２２Ａｂ（あるいは二つのコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂ）の自己誘導起電力も同様の傾向で変化する。

したがって、二つのコイル２２Ａａ、２２Ａｂ（あるいは二つのコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂ）の端子電圧の差を求める差動アンプ５１Ａあるいは５１Ｂの出力は、操舵トルクの方向及び大きさにしたがって変化するようになる。また、差動アンプ５１Ａあるいは５１Ｂにおいて、二つのコイル２２Ａａ、２２Ａｂ（あるいは二つのコイル２２Ｂａ、２２Ｂｂ）の端子電圧の差を求めているため、温度等による自己インダクタンスの変化は相殺される。

そして、トルク演算部５５は、ノイズ除去フィルタ５４Ａあるいは５４Ｂを介して供給される整流・平滑回路５２Ａ、５２Ｂの出力に基づいて操舵トルクを求め、その結果を電動機制御部５６に供給する。電動機制御部５６は、操舵トルクの方向及び大きさに応じた駆動電流Ｉｃを電動機１２に供給する。すると、電動機１２には、操舵系に発生している操舵トルクの方向及び大きさに応じた回転力が発生し、その回転力が減速ギヤ１１を介してステアリングシャフト２の出力軸２ｂに伝達されるので、出力軸２ｂに操舵補助トルクが付与されたことになる。これによって、操舵トルクが減少し、操縦者の負担が軽減される。

ところで、本実施形態においては、トルクセンサ２０の冗長化を図るため、トルクセンサ２０の信号処理系に第１トルク検出系統と第２トルク検出系とを設ける。上述したように、第１トルク検出系統と第２トルク検出系とは、それぞれ独立にコイル対と信号処理回路とを有し、異なる発振器によってそれぞれのコイル対に励磁電流を供給する。

例えば、図６に示す第１発振器６０Ａの励磁周波数をｆ１、第２発振器６０Ｂの励磁周波数をｆ２とし、両者に差がある場合には、第１コイル対２２Ａの発生する磁束と第２コイル対２２Ｂの発生する磁束との干渉によって、ビート（うなり）が発生する。この場合、例えば、図９−１に示すように、図６の差動アンプ５１Ａ、５１Ｂの出力信号電圧Ｖは、コイル対の端子電圧の最大値及び最小値が一定であっても、最大値及び最小値が周期的に変化する。出力信号電圧Ｖの最大値及び最小値が変化する周波数は、それぞれの発振器からそれぞれのコイル対に供給される励磁電流の励磁周波数の差（励磁周波数差）Δｆ（＝｜ｆ１−ｆ２｜）、すなわち、ビート周波数となる。

最大値及び最小値が周期的に変化する出力信号電圧Ｖを整流すると、図９−２に示すように、整流した結果も最大値が周期的に変化する。その結果、図６に示す整流・平滑回路５２Ａ、５２Ｂから出力される信号（平滑化信号）Ｖｔには、図９−３に示すようにビート周波数で発振するＡＭ変調ノイズが含まれて、平滑化信号Ｖｔの値は周期的に変動する。その結果、トルクセンサ２０によるトルクの検出精度の低下を招く。このように、本実施形態では、トルクセンサ２０へ励磁電流を供給する発振器を複数備えるため、それぞれの発振器からそれぞれのコイル対に供給される励磁電流の励磁周波数差Δｆに起因するビート（うなり）周波数で発振するＡＭ変調ノイズが発生し、トルクセンサ２０の出力に影響を与える。

ＡＭ変調ノイズは、第１発振器６０Ａの励磁周波数ｆ１と第２発振器６０Ｂの励磁周波数ｆ２とが同一であれば発生しない。したがって、励磁周波数ｆ１とｆ２とが同一の第１発振器６０Ａ及び第２発振器６０Ｂを用いれば、平滑化信号ＶｔのＡＭ変調ノイズを低減できる。しかし、異なる発振器で同一の励磁周波数を発生させることは極めて難しい。

そこで、本実施形態では、図２、図３に示すように、第１コイル対２２Ａと第２コイル対２２Ｂとの間に磁気遮蔽体２７を配置する。上述したように、磁気遮蔽体２７は、非磁性の導電体なので、図８に示すように、高周波信号である励磁電流によって第１コイル対２２Ａ及び第２コイル対２２Ｂが発生する磁束Ｍ１、Ｍ２を渦電流として消費させる。これによって、磁気シールド効果が得られるので、第１コイル対２２Ａの発生する磁束Ｍ１と第２コイル対２２Ｂの発生する磁束Ｍ２との干渉が抑制される。その結果、本実施形態では、図７−１〜図７−３に示すように、それぞれのコイルが発生する磁束の干渉による影響、すなわち、平滑化信号ＶｔのＡＭ変調ノイズを低減できる。これによって、本実施形態では、トルクセンサ２０によるトルクの検出精度の低下を抑制できる。

図８に示すように、磁気遮蔽体２７は、第１コイル対２２Ａ及び第２コイル対２２Ｂが発生する磁束Ｍ１、Ｍ２は、磁気遮蔽体２７の内面２７ｉから磁気遮蔽体２７へ向かう。磁気遮蔽体２７がその軸方向に向かって複数の部材で分割されていると、磁気遮蔽体２７による渦電流の発生が低減されるので、第１コイル対２２Ａの発生する磁束Ｍ１と第２コイル対２２Ｂの発生する磁束Ｍ２との干渉を抑制する作用が低くなる。このため、磁気遮蔽体２７は、少なくともその軸方向に対しては一つの構造体として構成されることが好ましく、さらには、一体の構造体で構成されることがより好ましい。これによって、渦電流による磁束の干渉を抑制する作用を効果的に発揮させることができる。ここで、軸方向に対しては一つの構造体として構成されるとは、環状の磁気遮蔽体２７の周方向に対しては、分割されていてもよいが、軸方向に対しては、一つの構造体として構成されるということである。

図２に示すように、磁気遮蔽体２７は、環状の構造体である。図８に示すように、磁気遮蔽体２７の内面２７ｉは、ヨーク２３Ａ、ヨーク２３Ｂの内面２３Ａｉ、２３Ｂｉと同一面とすることが好ましい。また、本実施形態では、磁気遮蔽体２７の外面２７ｏを、ヨーク２３Ａ、ヨーク２３Ｂの外面２３Ａｏ、２３Ｂｏよりも磁気遮蔽体２７の径方向外側に張り出させている。これによって、例えば、磁気遮蔽体２７がヨーク２３Ａ、２３Ｂから張り出した部分を用いて磁気遮蔽体２７やトルクセンサ２０ａを固定することができる。一方、磁気遮蔽体２７の外面２７ｏを、ヨーク２３Ａ、ヨーク２３Ｂの外面２３Ａｏ、２３Ｂｏと同一面、又はヨーク２３Ｂの外面２３Ａｏ、２３Ｂｏよりも磁気遮蔽体２７の径方向内側としてもよい。このようにすれば、トルクセンサ２０ａからの張り出し部がなくなるので、トルクセンサ２０ａを配置するスペースが限られる場合には好ましい。

本実施形態では、コイル及び発振器を２系統以上備えるものにおいて、それぞれのコイルの間に、非磁性の導電体である磁気遮蔽体を設ける。これによって、第１コイル対２２Ａ及び第２コイル対２２Ｂが発生する磁束Ｍ１、Ｍ２を渦電流として消費させることによる磁気シールド効果が得られるので、それぞれのコイルが発生する磁束の干渉による影響であるＡＭ変調ノイズを効果的に低減できる。その結果、トルクセンサの冗長化を実現できる。また、本実施形態では、上記構成によってケーシングに磁性体や反磁性体を用いる必要はなく、磁気回路を構成するヨークとしてケーシングを利用することができるので、磁気効率の低下を効果的に抑制できる。

また、本実施形態では、共通の発振器を用いた時分割制御を行う必要はないので、低コストでＡＭ変調ノイズを低減して、トルクセンサの冗長化を実現できる。さらに、発振器は、それぞれのコイルに対応して別個独立で設けられるので、仮に一つの発振器に不具合が発生した場合であっても、他の発振器によりトルクを検出できる。その結果、本実施形態に係るトルクセンサは、高い信頼性が確保される。

以上のように、本発明に係るトルクセンサ及び電動パワーステアリング装置は、コイルのインダクタンス変化を利用してトルクを検出するものに対して有用であり、特に、コイル及びその信号処理回路及び発振器を２系統以上備えて冗長化されたものに有用である。

１ ステアリングホイール
２ ステアリングシャフト
２ａ 入力軸
２ｂ 出力軸
３ 補助操舵機構
４ ユニバーサルジョイント
５ ロアシャフト
６ ユニバーサルジョイント
７ ピニオンシャフト
８ ステアリングギヤ
９ タイロッド
１０ 電動パワーステアリング装置
１１ 減速ギヤ
１２ 電動機
２０、２０ａ トルクセンサ
２１ 第１回転軸
２１Ｔ 凸部
２１ｉ、２６ｏ 連結部
２２Ａ 第１コイル対
２２Ａａ、２２Ａｂ、２２Ｂａ、２２Ｂｂ コイル
２２Ｂ 第２コイル対
２３Ａ、２３Ｂ ヨーク
２３Ａｏ 外面
２３Ａｉ 内面
２４ トーションバー
２５ 円筒部材
２５Ａ、２５Ｂ、２５Ａａ、２５Ａｂ、２５Ｂａ、２５Ｂｂ 窓
２６ 第２回転軸
２７ 磁気遮蔽体
２７ｉ 内面
２７ｏ 外面
５１Ａ、５１Ｂ 差動アンプ
５２Ａ、５２Ｂ 整流・平滑回路
５４Ａ、５４Ｂ ノイズ除去フィルタ
５５ トルク演算部
５６ 電動機制御部
５７Ａ 第１信号処理回路
５７Ｂ 第２信号処理回路
６０Ａ 第１発振器
６０Ｂ 第２発振器
６１Ａａ、６１Ａｂ、６１Ｂａ、６１Ｂｂ 電気抵抗
１００ トルク検出装置

Claims (7)

1. トーションバーのねじれを利用してトルクを検出するものであり、
   トルクが入力されることでねじれが発生するトーションバーと、
   当該トーションバーの一端部に設けられるとともに、軸方向へ向かう凹部が外周部に形成される第１回転軸と、
   当該第１回転軸の外周部を囲む円筒部材と、
   当該円筒部材が設けられるとともに、前記トーションバーの他端部に設けられる第２回転軸と、
   前記円筒部材の外側に、当該円筒部材の軸方向に向かって少なくとも２組設けられるとともに、別個の異なる発振器によってそれぞれに励磁電流が供給されるコイル対と、
   前記円筒部材の側部であって、それぞれの前記コイル対と対向する位置に設けられて、前記第１回転軸と前記第２回転軸との相対的な変位に応じて前記凹部との重なり具合が変化する窓と、
   を備えることを特徴とするトルクセンサ。
2. 隣接する前記コイル対同士の間に配置されて、前記コイル対が発生する磁束により渦電流を発生させる導電性かつ非磁性の磁気遮蔽体を備える請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記磁気遮蔽体は、少なくとも当該磁気遮蔽体の軸方向に対しては一つの構造体として構成される請求項１又は２に記載のトルクセンサ。
4. トーションバーのねじれを利用してトルクを検出するものであり、
   トルクが入力されることでねじれが発生するトーションバーで連結された第１回転軸と第２回転軸との相対的な変位をインピーダンスの変化に反映させて検出する少なくとも２組のコイル対と、
   隣接する前記コイル対同士の間に配置されて、前記コイル対が発生する磁束により渦電流を発生させる磁気遮蔽体と、
   を備えることを特徴とするトルクセンサ。
5. 前記磁気遮蔽体は、少なくとも当該磁気遮蔽体の軸方向に対しては一つの構造体として構成される請求項４に記載のトルクセンサ。
6. 前記第１回転軸の外周部に形成される、当該第１回転軸の軸方向に向かう凹部と、
   前記第１回転軸の外周部を囲む円筒部材と、
   前記円筒部材の側部であって、それぞれの前記コイル対と対向する位置に設けられて、前記第１回転軸と前記第２回転軸との相対的な変位に応じて前記凹部との重なり具合が変化する窓と、を有し、
   前記第１回転軸は、前記トーションバーの一端部に設けられ、前記第２回転軸は、前記トーションバーの他端部に設けられ、かつ、前記円筒部材が設けられ、それぞれの前記コイル対は、前記円筒部材の外側に、当該円筒部材の軸方向に向かって設けられる請求項４又は５に記載のトルクセンサ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のトルクセンサの第１の回転軸と第２の回転軸とをステアリングシャフトに取り付けて、操舵トルクを検出す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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