JP2011080765A - トルク測定装置およびこれを搭載したステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トーションバーを介して同軸上に連結される第１および第２の軸間に加わるトルクを正確に測定でき、小型化も可能なトルク測定装置、およびこのトルク測定装置を搭載したステアリング装置を提供する。
【解決手段】 トーションバー２３を介して同軸上に連結された２つの軸２１，２２に、これらの軸と同心に円周方向に並ぶ複数の被検出極１ａ，２ａが等配された環状のセンサターゲット１，２をそれぞれ設ける。これらのセンサターゲット１，２の被検出極１ａ，２ａを検出する磁気センサ３，４をそれぞれ設ける。各磁気センサ３，４の出力信号に基づき前記両軸２１，２２間に加わるトルクを測定する。各磁気センサ３，４は、対応するセンサターゲット１，２における被検出極１ａ，２ａのピッチ内でその被検出極１ａ，２ａの並び方向に位置ずれして配置された複数のセンサ素子を有し、sin および cosの２相の信号出力を得る。
【選択図】 図１

Description

この発明は、トーションバーを介して同軸上に連結された２つ軸間に加わるトルクを測定するトルク測定装置、およびこれを搭載したステアリング装置に関する。

この種のトルク測定装置として、特許文献１に示すものが提案されている。その目的は、トーションバーの曲げ変形に伴うセンサターゲットと磁気センサとの間のエアギャップの変動を抑え、高精度での回転トルクの検出を可能とすることである。構成としては、トーションバーを介して同軸上に連結された入力軸および出力軸のそれぞれに螺旋状の突起からなる複数のセンサターゲットを設ける。各センサターゲットを検出する磁気センサを設け、トーションバーの捩じれに起因して各磁気センサの検出するセンサターゲットの変位で生じる差に基づき、両軸間に加わるトルクを検出する。

他に、特許文献２示すものが提案されている。その目的は、従来よりも非常に簡単な構造により、トルク検出精度を高めることである。構成としては、トーションバーを介して同軸上に連結された入力軸および出力軸のそれぞれに、少なくとも２つの磁気トラックを持つ磁気媒体をそれぞれ設ける。各磁気媒体に対向して、各磁気トラックに感応する磁気検出素子を配置し、これら磁気検出素子の出力信号に基づいて前記両軸間に加わるトルクを検出する。

なお、回転角度検出の分解能化を図るものとしては、磁気ラインセンサおよび逓倍回路を設けたものがある（例えば、特許文献３，４）。これは、一列に並べて磁気ラインセンサからの信号を加算処理して中間信号Ｓ１，Ｓ２を生成し、さらにそれらの信号を演算処理することによって９０°位相のずれか２相の信号（ＳＩＮ，ＣＯＳ）を得る構成である。この構成によれば、検出対象である磁気エンコーダに応じて正確なＳＩＮ，ＣＯＳ信号を得ることができ、この信号に基づいて高精度な逓倍出力を生成することができる。

特開２００１−３２４３９４号公報 特開２００４−６１１４９号公報 特表２００１−５１８６０８号公報 特表２００２−５４１４８５号公報

特許文献１に開示のトルク測定装置では、センサターゲットとして部分的な螺旋状の突起を軸の周囲に繰り返し設ける必要があり、構成が複雑になるという問題がある。
特許文献２に開示のトルク測定装置では、複数の磁気トラックとこれらに対向する複数の磁気センサが必要である。そのため、装置全体が軸方向に大きくなり、適用できる範囲が制限される可能性がある。

この発明の目的は、トーションバーを介して同軸上に連結される第１および第２の軸間に加わるトルクを正確に測定でき、さらに小型化が可能なトルク測定装置を提供することである。
この発明の他の目的は、トルクを正確に測定で、かつトルク測定装置の小型化が可能なステアリング装置を提供することである。

この発明に係る第１のトルク測定装置は、トーションバーを介して同軸上に連結された第１および第２の軸に、これらの軸と同心に円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配された環状のセンサターゲットをそれぞれ設けると共に、これらのセンサターゲットの前記被検出極を検出する磁気センサをそれぞれ設け、各磁気センサの出力信号に基づき前記第１および第２の軸間に加わるトルクを測定するトルク測定装置において、
前記各磁気センサは、対応するセンサターゲットにおける被検出極のピッチ内でその被検出極の並び方向に互いに位置ずれして配置された複数のセンサ素子を有し、sin および cosの２相の信号出力を得るものとしたことを特徴とする。

この構成によると、各磁気センサが、センサターゲットにおける被検出極のピッチ内でその被検出極の並び方向に互いに位置ずれして配置された複数のセンサ素子を有し、sin および cosの２相の信号出力を得るため、センサターゲットの被検出極のピッチを通常のＡＢＳセンサなどと同等に保ちながら、磁気センサにより被検出極間の位置を検出することができて、第１および第２の軸の微小な回転検出が可能になる。そのため、センサギャップなどの取り付け公差を従来の場合と同等に保ちながら、自動車用ステアング装置のような過酷な使用環境の装置に搭載しても高分解能の回転検出が可能となる。これにより、前記両軸間のわずかな回転ずれをも検出することが可能となり、両磁気センサの検出回転角度の差から２軸間に加わる微小なトルクをも正確に測定することが可能となる。また、使用するセンサターゲットおよび磁気センサの個数が少ないため、特に、軸方向の寸法を小さくできる。その結果、トーションバーを介して同軸上に連結される第１および第２の軸間に加わるトルクを正確に測定できて、小型化も可能となる。

この発明に係る第２のトルク測定装置は、トーションバーを介して同軸上に連結された第１および第２の軸に、これらの軸と同心に円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配された環状のセンサターゲットをそれぞれ設けると共に、これらのセンサターゲットの前記被検出極を検出する磁気センサをそれぞれ設け、各磁気センサの出力信号に基づき前記第１および第２の軸間に加わるトルクを測定するトルク測定装置において、
前記各磁気センサは、対応するセンサターゲットにおける被検出極の並び方向に沿って複数のセンサ素子が並ぶラインセンサで構成され、sin および cosの２相の信号出力を演算によって生成するものとしたことを特徴とする。

この構成の場合、各磁気センサが、センサターゲットにおける被検出極の並び方向に沿ってセンサ素子が並ぶラインセンサで構成され、sin および cosの２相の信号出力を演算によって生成するため、センサターゲットの被検出極のピッチを通常のＡＢＳセンサなどと同等に保ちながら、磁気センサにより被検出極間の位置を検出することができて、第１および第２の軸の微小な回転検出が可能になる。そのため、前記両軸間のわずかな回転ずれでも検出でき、両磁気センサの検出回転角度の差から２軸間に加わる微小なトルクでも正確に測定することが可能となる。また、使用するセンサターゲットおよび磁気センサの個数が少ないため、特に、軸方向の寸法を小さくできる。その結果、トーションバーを介して同軸上に連結される第１および第２の軸間に加わるトルクを正確に測定でき、小型化も可能となる。

この発明において、前記磁気センサは、その出力信号を逓倍して高分解能な回転パルスを生成する逓倍回路を有するものとしても良い。この構成の場合、第１および第２の軸の微小な回転角度を回転パルスの計数により検出することになるので、２つのセンサターゲットのうち一方が止まっていても、つまり前記２軸の一方が静止している状態でも、両軸間に加わるトルクを正確に測定することができる。

この発明において、前記逓倍回路の生成する回転パルスが、互いに９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号であっても良い。この構成の場合、これら２相の信号によって回転方向を判別することができるため、正負どちらの回転方向のトルクでも測定することが可能となる。

これらの発明において、前記磁気センサは、その出力信号から、センサターゲットの１回転で一つのインデックス信号を生成するものとしても良い。

この発明において、前記各磁気センサの生成する回転パルスのカウント値から対応する各センサターゲットの回転角度を検出するカウンタと、これらのカウンタで検出された２つの回転角度の差分を求める角度差算出手段と、前記差分から前記第１および第２の軸間に加わるトルクを算出するトルク算出手段とを設けると共に、前記差分と前記第１および第２の軸の運転状態から前記算出トルクに含まれる定常オフセット量を推定し、前記算出トルクからオフセット分をキャンセルするオフセットキャンセル手段を設けても良い。
各磁気センサの生成する回転パルスをカウンタで計数し、センサターゲットの回転角度をカウント値として保持する場合には、機械的なガタツキによって定常オフセットが発生したり、ノイズによる誤カウントによって両カウンタの計数値がずれたりして、トルク演算に誤差を生じることがある。上記オフセットキャンセル手段で、回転パルスの差分をモニタしながら、運転状態に応じたフィルタ処理を行って定常オフセット分を抽出して、トルク算出手段での演算処理においてオフセットを除去すると、機械的なガタツキなどによって発生するオフセットの影響を低減して、正確なトルク測定を行うことができる。

この発明において、前記各磁気センサの生成する回転パルスのカウント値から対応する各センサターゲットの回転角度を検出するカウンタと、これらのカウンタで検出された２つの回転角度の差分を求める角度差算出手段と、前記差分から前記第１および第２の軸間に加わるトルクを算出するトルク算出手段とを設けると共に、前記第１および第２の軸にトルクが印加されていない運転状態において前記カウント値をリセットする計数値リセット手段を設けても良い。この構成の場合、前記カウント値に積算されたノイズの影響などを除去して、正確なトルク測定を行うことができる。

これらの発明において、前記２つのセンサターゲット間に磁気干渉防止用の磁性体を設けても良い。
近接配置された２つの磁気センサでは、検出対象でないセンサターゲットの干渉を受ける恐れがある。２つのセンサターゲットの間に磁気干渉防止用の磁性体を介在させることで、磁気センサが検出対象でないセンサターゲットの干渉を受けるのを防止でき、これにより正確なトルク測定が可能となる。

この発明のステアリング装置は、前記発明のトルク測定装置を搭載したことを特徴とする。
この発明のトルク測定装置は、第１，第２の軸間に加わるトルクを正確に測定でき、かつ小型化が可能である。そのため、例えば自動車等のステアリング装置に搭載した場合、ハンドルに連結された入力軸と、舵取機構に連結された出力軸との間に加わるトルクを正確に測定でき、パワーステアリングやステアバイワイヤ等でのステアリング制御をより高度に行うことが可能となる。これによた、運転し易さ、安全の向上などに貢献することができる。また、検出の高精度化を図りながら、大型化が回避できる。

この発明の第１のトルク測定装置は、トーションバーを介して同軸上に連結された第１および第２の軸に、これらの軸と同心に円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配された環状のセンサターゲットをそれぞれ設けると共に、これらのセンサターゲットの前記被検出極を検出する磁気センサをそれぞれ設け、各磁気センサの出力信号に基づき前記第１および第２の軸間に加わるトルクを測定するトルク測定装置において、前記各磁気センサは、対応するセンサターゲットにおける被検出極のピッチ内でその被検出極の並び方向に互いに位置ずれして配置された複数のセンサ素子を有し、sin および cosの２相の信号出力を得るものとしたため、トーションバーを介して同軸上に連結される前記２軸間に加わるトルクを正確に測定でき、装置の小型化も可能となる。

この発明の第２のトルク測定装置は、トーションバーを介して同軸上に連結された第１および第２の軸に、これらの軸と同心に円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配された環状のセンサターゲットをそれぞれ設けると共に、これらのセンサターゲットの前記被検出極を検出する磁気センサをそれぞれ設け、各磁気センサの出力信号に基づき前記第１および第２の軸間に加わるトルクを測定するトルク測定装置において、前記各磁気センサは、対応するセンサターゲットにおける被検出極の並び方向に沿って複数のセンサ素子が並ぶラインセンサで構成され、sin および cosの２相の信号出力を演算によって生成するものとしたため、トーションバーを介して同軸上に連結される前記２軸間に加わるトルクを正確に測定でき、装置の小型化も可能となる。

この発明のステアリング装置は、この発明の上記いずれか構成のトルク測定装置を搭載したため、ハンドルに連結された入力軸と、舵取機構に連結された出力軸との間に加わるトルクを正確に測定できて、パワーステアリングやステアバイワイヤ等でのステアリング制御をより高度に行うことが可能となり、運転し易さ、安全の向上などに貢献することができる。また、高精度化を図りながら、大型化が回避できる。

この発明の第１の実施形態に係るトルク測定装置の概略構成を示す正面図である。 同トルク測定装置の具体的構成を示す断面図である。 この発明の他の実施形態に係るトルク測定装置の断面図である。 各実施形態のトルク測定装置における信号処理系の一構成例を示すブロック図である。 各実施形態のトルク測定装置における磁気センサの一具体例を示す説明図である。 各実施形態のトルク測定装置の磁気センサの他の具体例の説明図である。 同トルク測定装置における信号処理系の構成例を示すブロック図である。 同トルク測定装置における信号処理系の他の構成例を説明図である。 同磁気センサにおける逓倍回路の一例を示すブロック図である。 この発明の実施形態に係るトルク測定装置における他の概略構成例を示す正面図である。 この発明の実施形態に係るトルク測定装置を用いたステアリング装置の概念構成の説明図である。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１は、このトルク測定装置の概略構成例の正面図を示す。同図において、第１および第２の軸２１，２２は、トーションバー２３を介して同軸上に連結されている。第１の軸２１は入力側の回転軸であり、その回転トルクがトーションバー２３を介して出力側の回転軸である第２の軸２２に伝達される。このトルク測定装置は、第１および第２の軸２１，２２間に加わるトルクを測定するものであって、各軸２１，２２にそれぞれ設けられたセンサターゲット１，２と、これらのセンサターゲット１，２に対向して設けられた２つの磁気センサ３，４とを備える。

センサターゲット１，２は、各軸２１，２２と同心に円周方向に並ぶ複数の被検出極１ａ，２ａが等配された環状の部材であって、例えば磁気エンコーダからなる。ここでは、その周面に被検出極が並ぶラジアルタイプのセンサターゲット１，２の例を示しており、その周面が磁気センサ３，４で検出される被検出面となる。磁気エンコーダは、被検出極１ａ，２ａとして、円周方向にＳ極，Ｎ極を交互に着磁することで、Ｓ極，Ｎ極からなる磁極対を、全周に渡り円周方向に複数等配したものである。なお、同図において、被検出極１ａ，２ａは周方向の一部のもののみを図示し、他は図示を省略してある。センサターゲット１，２としては、磁気エンコーダのほか、歯車状のパルサリングを用いても良い。歯車状パルサリングの場合、歯の山と谷の組み合わせ部分が磁極対となる。

２つの磁気センサ３，４の出力信号は信号処理回路６に入力され、ここでの演算処理により、第１および第２の軸２１，２２間に加わるトルクが測定される。２つの磁気センサ３，４は、１つのセンサユニット５として構成されて、固定側部材２６に設置される。

なお、図１０に示すように、２つの磁気センサ３，４を前記信号処理回路６などと共に１つの半導体チップ７上に搭載して、１つのセンサユニット５を構成しても良い。このようにセンサユニット５内で信号処理を行う構成とした場合は、外部に出力する信号線を最低限とすることができ、配線本数の削減、配線径の細線化、設置スペースの削減が可能になる。

図２は、この実施形態のトルク測定装置の具体例を示す。第１および第２の軸２１，２２は、それぞれ軸受２４，２５を介して、測定装置ハウジングとなる固定側部材２６に回転自在に支持されている。トーションバー２３は、第１および第２の軸２１，２２よりも小径とされている。第１および第２の軸２１，２２に取り付けられるセンサターゲット１，２は、環状の芯金１ｂ，２ｂの外周面に環状の多極磁石１ｃ，２ｃを設けたラジアルタイプの磁気エンコーダが用いられている。芯金１ｂ，２ｂは、磁性体または非磁性体からなる。多極磁石１ｃ，２ｃが、センサターゲット１，２の外周面となる。多極磁石１ｃ，２ｃは、円周方向にＮ極，Ｓ極を交互に着磁した磁石であり、そのＮ極，Ｓ極の磁極対で前記被検出極１ａ，２ａ（図１）が構成される。

図２において、２つの磁気センサ３，４は、対応するセンサターゲット１，２の被検出極１ａ，２ａを検出できるように、被検出面に対して径方向に微小のギャップを介して対向するように、固定側部材２６に設置される。この例では２つの磁気センサ３，４は、上記のように一つのセンサユニット５として構成されて、固定側部材２６の内周面に設置される。

両センサターゲット１，２は、その多極磁石１ｃ，２ｃの外周面からなる被検出面が互いに軸方向に近接するように、第１および第２の軸２１，２２の対向する端面から突出して取付けられている。このような突出する取り付けが可能なように、芯金１ｂ，２ｂは、第１および第２の軸２１，２２の外周面に嵌合する円筒鍔状の嵌合部１ｂａ，２ｂａが内周部から軸方向に突出して設けられている。両センサターゲット１，２を互いに軸方向に近接して配置することにより、これらセンサターゲット１，２に径方向に対向する磁気センサ３，４を、互いに軸方向に近接して（例えば５mm以下の間隔で）配置している。このように、２つのセンサターゲット１，２を互いに軸方向に近接配置し、対応する２つの磁気センサ３，４も互いに軸方向に近接配置することで、限られた設置スペース内で第１および第２の両軸２１，２２間に加わるトルクを正確に検出することができる。

この場合、近接配置された２つの磁気センサ３，４では、検出対象ではない方のセンサターゲット２，１の干渉を受ける恐れがある。そこで、この構成例では、２つのセンサターゲット１，２の被検出極１ａ，２ａが互いに近接する軸方向中間部に磁性体からなるスペーサ２ｄを設けて、前記干渉を防止するようにしている。具体的には、一方のセンサターゲット２の芯金２ａの他方のセンサターゲット１と対向する端部を外径側に延ばした筒状フランジ部とすることで、前記スペーサ２ｄを構成している。このスペーサは、他方のセンサターゲット１に設けても良い。

図３は、この発明の他の実施形態にかかるトルク測定装置を示す。この例では、第１および第２の軸２１，２２に取付けるセンサターゲット１，２として、アキシアルタイプの磁気エンコーダが用いている。これら各センサターゲット１，２は、芯金１ｂ，２ｂと環状の多極磁石１ｃ，２ｃとからなり、各芯金１ｂ，２ｂは、円筒部１ｂａ，２ｂａとその一端から外径側へ延びる円板状のフランジ部１ｂｂ，２ｂｂからなる断面Ｌ字形とされている。多極磁石１ｃ，２ｃは、各芯金１ｂ，２ｂのフランジ部１ｂｂ，２ｂｂの外周縁に沿って設けられている。多極磁石１ｃ，２ｃは、多極磁石１ｃ，２ｃは、円周方向にＮ極，Ｓ極を交互に着磁した磁石であり、そのＮ極，Ｓ極の磁極対で前記被検出極１ａ，２ａが構成される。多極磁石１ｃ，２ｃの被検出面は軸方向を向く面である。２つのセンサターゲット１，２は、その被検出面を構成する多極磁石１ｃ，２ｃが径方向の外側と内側とに同心状に並ぶように配置される。また、これら多極磁石１ｃ，２ｃは、その被検出面が互い同じ方向を向き、かつ互いに同一平面に位置している。

磁気センサ３，４は、各センサターゲット１，２の被検出面にそれぞれ軸方向に対向し、一つのセンサユニット５として構成されて、測定装置ハウジングである固定側部材２６の内周面の軸方向に向く段面２６ａに取り付けられている。

両センサターゲット１，２は、上記のように被検出面を同一平面上で互いに同心に配置しているが、両センサターゲット１，２の多極磁石１ｃ，２ｃ間には、磁気干渉防止用の環状のスペーサ２ｄが設けてある。このスペーサ２ｄは、磁性体からなり、一方のセンサターゲット２の芯金２ｂのフランジ部２ｂｂの外周縁に設けられた軸方向に延びる浅い円筒部で構成されている。なお、他方のセンサターゲット１の芯金１ｂにスペーサ２ｄを設けても良い。その他の構成は、図２の構成例の場合と同様である。

図４は、図１に示した信号処理回路６の概略の構成をブロック図で示したものである。この場合の前記各磁気センサ３，４は、対応するセンサターゲット１，２における被検出極１ａ，２ａ数の数倍〜数十倍の分解能で回転検出が可能な逓倍機能を有するものとされる。この機能を満たすために、例えば磁気センサ３，４として、対応するセンサターゲット１，２の被検出極１ａ，２ａのピッチλを１周期とするとき、図５のように構成しても良い。すなわち、９０度位相差（λ／４）となるように磁極の並び方向に離して配置したホール素子などの２つの磁気センサ素子３Ａ，３Ｂ（４Ａ，４Ｂ）を用い、これら２つの磁気センサ素子３Ａ，３Ｂ（４Ａ，４Ｂ）により得られる２相の信号(sinφ,cosφ) から磁極内位相 (φ=tan^-1（ sinφ／cosφ））を算出するものとしても良い。この磁極内位相を例えば９０°毎に出力されるパルスとして検出することで、被検出極数の４逓倍の分解能の回転検出が可能となる。なお、図５の波形図は、センサターゲット１，２の磁極の配列を磁界強度に換算して示したものである。

磁気センサ３，４をこのような構成とすると、被検出極１ａ，２ａ内の位置をより細かく検出でき、より高精度でセンサターゲット１，２の位相を検出することが可能である。この場合、磁気ノイズの影響を低減するため、前記２つの磁気センサ素子３Ａ，３Ｂ（４Ａ，４Ｂ）を差動構成として，より安定した信号を得るように構成しても良い。

センサターゲット１，２の被検出極１ａ，２ａ内における位置の情報を検出する機能を有する磁気センサ３，４の他の例として、図６（Ｂ）に示すようなラインセンサを用いても良い。すなわち、磁気センサ３，４として、対応するセンサターゲット１，２の被検出極１ａ，２ａの並び方向に沿って磁気センサ素子３ａ，４ａが並ぶラインセンサ３ＡＡ，３ＡＢ（４ＡＡ，４ＡＢ）を用いる。なお、図６（Ａ）は、センサターゲット１，２における１被検出極１ａ，２ａの区間を磁界強度に換算して波形図で示したものである。この場合、磁気センサ３，４の第１のラインセンサ３ＡＡ，４ＡＡは、図６（Ａ）における１８０度の位相区間のうち９０度の位相区間に対応付けて配置し、第２のラインセンサ３ＡＢ、４ＡＢは残りの９０度の位相区間に対応付けて配置する。このような配置構成により、第１のラインセンサ３ＡＡ，４ＡＡの検出信号を加算回路３１で加算した信号Ｓ１と、第２のラインセンサ３ＡＢ，４ＡＢの検出信号を加算回路３２で加算した信号Ｓ２を別の加算回路３３で加算することで、図６（Ｃ）に示すような磁界信号に応じたsin 信号を得る。また、信号Ｓ１と、インバータ３５を介した信号Ｓ２をさらに別の加算回路３４で加算することで、図６（Ｃ）に示すような磁界信号に応じた cos信号を得る。

図４の信号処理回路６において、各磁気センサ３，４の次段に設けられた位相検出回路８Ａ，８Ｂは、各磁気センサ３，４の検出信号（sin ， cos信号）に基づき、対応するセンサターゲット１，２の磁気位相を検出する。その次段に設けられた位相差検出手段９は、前記各位相検出回路８Ａ，８Ｂから出力される検出位相信号に基づき、これらの間の位相差を出力する。この位相差から前記第１および第２の軸２１，２２間のねじれ角度を求めることができる。その次段に設けられたトルク算出手段１０は、前記位相差検出手段９で求められた位相差から、予め設定された計算パラメータにしたがって前記両軸２１，２２間に加わるトルクを算出する処理を行う。得られたトルク値は、出力回路１１によって電圧値、電流値、ＰＷＭ信号、あるいはＣＡＮバス（コントローラエリアネットワークバス）などの通信インターフェースを通じたデータ形式で外部に出力される。コントローラ１２は、外部との通信などにより、前記トルク算出手段１０における計算パラメータを書き換えたり、演算結果を読み出すなどの機能を有する。また、これらの機能のほか、センサターゲット１，２の被検出極１ａ，２ａ数など、磁気センサ３，４の構成によって変わるパラメータを記憶する機能を有するものとしても良い。

このように、このトルク測定装置によると、磁気エンコーダなどからなるセンサターゲット１，２の被検出極１ａ，２ａのピッチを通常のＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）センサなどと同等に保ちながら、被検出極１ａ，２ａ間の位置を検出する機能を備えた磁気センサ３，４により、第１および第２の軸２１，２２の微小な回転検出が可能になる。そのため、センサギャップなどの取り付け公差を従来の場合と同等に保ちながら、自動車用ステアング装置のような過酷な使用環境の装置に搭載しても高分解能の回転検出が可能となる。これにより、前記２軸２１，２２間のわずかな回転ずれでも検出することが可能となり、両磁気センサ３，４の検出回転角度の差から２軸２１，２２間に加わる微小なトルクでも測定することが可能となる。例えば、センサターゲット１，２として磁気エンコーダを用い、その被検出極１ａ，２ａにおけるＮ極およびＳ極の磁極幅を２．５mm程度として、２０極対の磁極を形成した直径３２mm程度の大きさとした場合、互いに±２．５mmの磁極位置ずれの範囲を検出可能であり、相当する機械的なねじれ角度±９度を、０．１度以下の高い分解能で検出することが可能になる。検出結果に含まれるノイズは平均化処理により容易に低減できる。
また、使用するセンサターゲット１，２および磁気センサ３，４の個数が少ないため、特に軸方向の寸法を小さくできる。

図７は、図１に示した信号処理回路６の他の構成例をブロック図で示す。なお、この例は、上記いずれかの構成のトルク測定装置を、例えば後述の図１１に示す自動車のパワーステアリング装置に適用した場合の回路構成を示す。図８はこの場合の各磁気センサ３，４の概略構成をブロック図で示したものである。この場合の前記各磁気センサ３，４は、対応するセンサターゲット１，２における被検出極１ａ，２ａ数の数倍〜数十倍の分解能で回転検出が可能な逓倍機能を有するものとされる。この機能を満たすために、磁気センサ３，４は、図５や図６に構成されるセンサ本体部１３とは別に、そのセンサ本体部１３が出力する回転検出信号を逓倍して高分解能な回転パルスを生成する逓倍回路１４を有する。つまり、逓倍回路１４は、センサターゲット１，２の被検出極１ａ，２ａ内における逓倍位置情報として回転パルスを出力する。

図９は、この場合の逓倍回路１４の一構成例を示す。この逓倍回路１４は、信号発生手段４１と、扇形検出手段４２と、マルチプレクサ手段４３と、微細内挿手段４４とを備える。
信号発生手段４１は、前記磁気センサ３，４におけるセンサ本体部１３の出力である２相の信号sin,cos から、同一の振幅Ａ0 と同一の平均値Ｃ0 とを有し、ｍをｎ以下の正の整数、ｉを１〜２m-1 の正の整数として、相継いで互いに２π／２m-1 ずつ位相がずれた、２m-1 個の信号ｓi を生成する手段である。
扇形発生手段４２は、２m 個の等しい扇形Ｐi を定義するようにコード化された、ｍ個のディジタル信号ｂn-m+1 ，ｂn-m+2 ，……，ｂn-1 ，ｂn を発生する、２m-1 個の信号ｓi によって区切られた２m 個の扇形Ｐi を検出する手段である。
マルチプレクサ手段４３は、上記扇形発生手段４２から発生するｍ個の上記ディジタル信号ｂn-m+1 ，ｂn-m+2 ，……，ｂn-1 ，ｂn によって制御され、上記信号発生手段４１から生成される２m-1 個の上記信号ｓi を処理して、振幅が一連の２m-1 個の上記信号ｓi の上記平均値Ｃ0 と第１のしきい値Ｌ1 との間にある部分によって構成される一方の信号Ａと、振幅が一連の２m-1 個の上記信号ｓi の上記第１のしきい値Ｌ1 とこのしきい値よりも高い第２のしきい値Ｌ2 との間にある部分によって構成される他方の信号Ｂとを生成するアナログの手段である。
微細内挿手段４４は、所望の分解能を得るために、角度２π／２m の２m 個の上記扇形Ｐi の各々を角度２π／２n の２n-m 個の同じサブ扇形に細分するようにコード化された、（ｎ−ｍ）個のディジタル信号ｂ1 ，ｂ2 ，……，ｂ n-m-1，ｂn-m を生成するために、２m 個の扇形Ｐi の各々において、上記マルチプレクサ手段４３から生成される上記一方の信号Ａと上記他方の信号Ｂとを微細内挿する手段である。
この逓倍回路１４によって、磁気センサ３，４のセンサ本体部１３で得られた２相の信号sin,cos が、逓倍信号である（ｎ−ｍ）個のディジタル信号ｂ1 ，ｂ2 ，……，ｂ n-m-1，ｂn-m （ここではｂ1 ，ｂ2 ，……，ｂ8 ，ｂ9 ）の回転パルスに逓倍される。

図７の構成において、回転パルス差分算出手段１５は、前記各磁気センサ３，４の逓倍回路１４が生成する回転パルスを計数して、これらの計数値の差分を求める手段である。この回転パルス差分算出手段１５は、一方の磁気センサ３側の逓倍回路１４が生成する回転パルスを計数する第１のカウンタ１６と、他方の磁気センサ４側の逓倍回路１４が生成する回転パルスを計数する第２のカウンタ１７と、これら両カウンタ１６，１７の計数値の差分を算出する角度差算出手段１８とを備える。

トルク算出手段１０Ａは、前記回転パルス差分算出手段１５によって求められた差分から、予め設定された計算パラメータにしたがって前記両軸２１，２２間に加わるトルクを算出する処理を行う手段である。得られたトルク値は、先の実施形態の場合と同様に、出力回路１１によって電圧値、電流値、ＰＷＭ信号、あるいはＣＡＮバスなどの通信インターフェースを通じたデータ形式で外部に出力される。

このように、この実施形態では、各磁気センサ３，４から出力される回転パルスから演算してトルクを求めるので、信号位相差を検出する先の実施形態の場合には不可能であった、両軸２１，２２のうち片方の軸が静止している状態でのトルク測定も可能である。

この実施形態において、２つの磁気センサ３，４は互いに異なる分解能であっても良い。この場合、２つのカウンタ１６，１７は異なる速度で変化することになるので、各計数値の差分を求める前に、両者の公倍数になるように各計数値に定数を掛け算し、速度変化を同じになるようにしてやれば良い。

ところで、回転パルスを計数し、センサターゲット１，２の回転角度をカウント値として保持するこの実施形態の場合、機械的なガタツキによって定常オフセットが発生したり、ノイズによる誤カウントによって両カウンタ１６，１７の計数値がずれたりして、トルク算出手段１０Ａでのトルク演算に誤差を生じることがある。そこで、この実施形態でのコントローラ１２Ａには、図４の信号処理回路６におけるコントローラ１２の場合に挙げた計算パラメータの書き換えや演算結果の読み出しなどの機能のほかに、オフセットキャンセル手段１９と、計数値リセット手段２０とを持たせてある。オフセットキャンセル手段１９は、前記回転パルス差分算出手段１５により求められた回転パルスの差分をモニタしながら、別途自動車の制御部から送られてくる運転状態を示す所定のデータに応じたフィルタ処理を行うことにより定常オフセット分を抽出して、前記トルク算出手段１０Ａにより演算されるトルク値に含まれる定常オフセット分を除去する手段である。計数値リセット手段２０は、前記回転パルス差分算出手段１５におけるカウンタ１６，１７が計数する計数値を、トルクの印加されていない運転状態においてリセットする手段である。

このように、コントローラ１２Ａにおけるオフセットキャンセル手段１９が、回転パルス差分算出手段１５により求められた回転パルスの差分をモニタしながら、運転状態に応じたフィルタ処理を行って定常オフセット分を抽出し、トルク算出手段１０Ａでの演算処理においてオフセットを除去するので、機械的なガタツキなどによって発生するオフセットの影響を低減して、正確なトルク測定を行うことができる。

また、コントローラ１２Ａにおける計数値キャンセル手段２０が、トルクの印加されていない運転状態のタイミングで、定期的にカウンタ１６，１７をリセットするので、カウンタ１６，１７に積算されたノイズの影響などによる誤カウント値を除去して、正確なトルクを測定することができる。磁気センサ３，４から出力される回転パルスが、ＡＢＺ信号のようにインデックス信号Ｚを備えている場合には、ノイズなどによる誤カウントはインデックス信号Ｚの入力毎にリセットされるため、前記計数値キャンセル手段２０からリセット指令を出さなくても良い。なお、インデックス信号Ｚは、例えばセンサターゲット１，２の１回転で１回出力される信号であるが、磁気センサ３，４がsin,cos 信号を生成して、センサターゲットの被検出極１ａ，２ａの位相を検出しているため、容易に生成することができる。

これらの処理により、第１および第２の軸２１，２２間での微小なねじれ角を高分解能で検出できるため、両軸２１，２２間に加わるトルクを正確に測定することができる。また、この実施形態において、各磁気センサ３，４内のセンサ本体部１３からは互いに９０度位相の異なるＡ相およびＢ相の２相の信号が出力されるので、これら２相の信号から回転方向を判別することができる。この位相差に応じて、磁気センサ３，４の逓倍回路１４が、回転パルスとして互いに９０度位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号を生成するものとしても良い。これにより、正負のどちらの方向のトルクも検出することが可能となる。

このように、上記したトルク測定装置を、例えば自動車等のステアリング装置に搭載した場合、ハンドルに連結された入力軸と、舵取機構に連結された出力軸との間に加わるトルクを正確に測定できるため、パワーステアリングやステアバイワイヤ等でのステアリング制御をより高度に行うことが可能となり、運転し易さ、安全の向上などに貢献することができる。

図１１は、この発明の一実施形態に係るパワーステアリング装置の一例を示す概念図である。ハンドル５１で回転操作される入力軸である第１の軸２１と、舵取機構５２の駆動モータ５３で回転力が与えられる出力軸である第２の軸２２との間に、トルク測定装置５０が設けられている。舵取機構５２は、車輪５５の方向を変える機構である。トルク測定装置５０は、上記各実施形態におけるいずれかの構成のものである。信号処理回路６は、上記いずれの構成のものであっても良いが、例えば図７に示す構成のものである。制御回路５４は、トルク測定装置５０の信号処理回路６から出力されたトルク値に応じて、トルク値とモータ出力との設定関係に基づき、モータ５３にその駆動を制御するモータ制御信号を出力する装置である。なお、信号処理回路６は、第１の軸２１または第２の軸２２の回転角度であるハンドル角を出力する機能を有するものとし、前記制御回路５４は、信号処理回路６の出力するトルク値とハンドル角との両方から、設定関係に基づいてモータ制御信号を出力するものとしても良い。

１，２…センサターゲット
２ｄ…磁気干渉防止用スペーサ
３，４…磁気センサ
３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂ，３ａ，４ａ…磁気センサ素子
３ＡＡ，３ＡＢ，４ＡＡ，４ＡＢ…ラインセンサ
６…信号処理回路
１４…逓倍回路
１５…回転パルス差分算出手段
１６，１７…カウンタ
１８…角度差算出手段
１９…オフセットキャンセル手段
２０…計数値リセット手段
２１…第１の軸
２２…第２の軸
２３…トーションバー

Claims (9)

1. トーションバーを介して同軸上に連結された第１および第２の軸に、これらの軸と同心に円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配された環状のセンサターゲットをそれぞれ設けると共に、これらのセンサターゲットの前記被検出極を検出する磁気センサをそれぞれ設け、各磁気センサの出力信号に基づき前記第１および第２の軸間に加わるトルクを測定するトルク測定装置において、
   前記各磁気センサは、対応するセンサターゲットにおける被検出極のピッチ内でその被検出極の並び方向に互いに位置ずれして配置された複数のセンサ素子を有し、sin および cosの２相の信号出力を得るものとした、
   ことを特徴とするトルク測定装置。
2. トーションバーを介して同軸上に連結された第１および第２の軸に、これらの軸と同心に円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配された環状のセンサターゲットをそれぞれ設けると共に、これらのセンサターゲットの前記被検出極を検出する磁気センサをそれぞれ設け、各磁気センサの出力信号に基づき前記第１および第２の軸間に加わるトルクを測定するトルク測定装置において、
   前記各磁気センサは、対応するセンサターゲットにおける被検出極の並び方向に沿って複数のセンサ素子が並ぶラインセンサで構成され、sin および cosの２相の信号出力を演算によって生成するものとした、
   ことを特徴とするトルク測定装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記磁気センサは、その出力信号を逓倍して高分解能な回転パルスを生成する逓倍回路を有するものとしたトルク測定装置。
4. 請求項３において、前記逓倍回路の生成する回転パルスが、互いに９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号であるトルク測定装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記磁気センサは、その出力信号から、センサターゲットの１回転で一つのインデックス信号を生成するものとしたトルク測定装置。
6. 請求項３ないし請求項５のいずれか１項において、前記各磁気センサの生成する回転パルスのカウント値から対応する各センサターゲットの回転角度を検出するカウンタと、これらのカウンタで検出された２つの回転角度の差分を求める角度差算出手段と、前記差分から前記第１および第２の軸間に加わるトルクを算出するトルク算出手段とを設けると共に、前記差分と前記第１および第２の軸の運転状態から前記算出トルクに含まれる定常オフセット量を推定し、前記算出トルクからオフセット分をキャンセルするオフセットキャンセル手段を設けたトルク測定装置。
7. 請求項３ないし請求項５のいずれか１項において、前記各磁気センサの生成する回転パルスのカウント値から対応する各センサターゲットの回転角度を検出するカウンタと、これらのカウンタで検出された２つの回転角度の差分を求める角度差算出手段と、前記差分から前記第１および第２の軸間に加わるトルクを算出するトルク算出手段とを設けると共に、前記第１および第２の軸にトルクが印加されていない運転状態において前記カウント値をリセットする計数値リセット手段を設けたトルク測定装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記２つのセンサターゲット間に磁気干渉防止用の磁性体を設けたトルク測定装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のトルク測定装置を搭載したことを特徴とするステアリング装置。

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