JP2012042258A - パワーステアリング用トルクセンサ及びこれを備える電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成及び装置の小型化を実現させるトルクセンサ及び電動式パワーステアリング装置を提供する。
【解決手段】トルクセンサＴＳは、ステアリングシャフトへ装着されるものであって、第１の固定子３１１ａは、第１の回転子３１２ａに対して同軸的に配置され、第１の回転子３１２ａとの組合せにより第１のモータ３１０ａを成す。一方、第２の固定子３１１ｂは、第２の回転子３１２ｂに対して同軸的に配置される。かかるトルクセンサＴＳによると、トーションバー及びこれを固定させる複雑な機構を排除できるので、部品点数の減少、装置の小型化、コストの低減を図ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、パワーステアリング用トルクセンサ及びこれを備える電動式パワーステアリング装置に関し、特に、装置の簡素化を図る際に用いて好適のものである。

車両に搭載される電動式パワーステアリング装置ＥＰＳ（Electric Power-Steering System）は、操舵トルクを検出するパワーステアリング用トルクセンサ（以下、単にトルクセンサと呼ぶ）と、トルクセンサの信号に応じて電動モータの出力を制御させ操舵トルクに加えるアシストトルクを適宜に調整させる電動パワーステアリング用モータユニット（以下、モータユニットと呼ぶ）と、操舵トルクにアシストトルクを加えた出力トルクを発生させるギヤボックスとから構成される。かかる電動式パワーステアリング装置は、操縦者がハンドルを操作すると、ステアリングシャフトにトルクが加わり、このトルクの状態をトルクセンサが検出する。その後、電動式パワーステアリング装置は、トルクセンサの信号に応じて電動モータをドライブさせ、操縦者の操縦意図に応じたアシストトルクを与え、ハンドルの操作性を快適にさせる装置である。

電動式パワーステアリング装置に用いられるトルクセンサは、磁歪式トルクセンサ、ホール素子式トルクセンサ、インダクタンス式トルクセンサ、レゾルバ式トルクセンサ等、種々の形態が用いられている。

磁歪式トルクセンサは、特開平１１−０３４４３９２号公報（特許文献１）で紹介されているように、表面に多数の溝が刻まれた磁歪材と、磁歪材が固定されたトーションバーと、交流電源に接続された励磁用コイルと、磁歪材の透磁率変化を検出する検出コイルとを備え、トーションバーは、ハンドル操作に応じて回動するステアリングシャフトへ介挿される。かかる磁歪トルクセンサは、ハンドル操作に応じてトーションバーへ操作トルクが伝達されると、磁歪材が変形して当該磁歪材の透磁率が変化する。このとき、検出コイルは、透磁率変化によって生じる磁束変化を電圧値（トルク信号）として検出し、モータユニットでは、磁歪式トルクセンサから受けたトルク信号に基づいて、アシストトルクを発生させる。

ホール素子式トルクセンサは、特開２００３−１４９０６２号公報（特許文献２）で紹介されているように、トーションバーの捩れ角に応じて所定の磁束変化を発生させる機構と、磁束変化を検出するホール素子とを具備し、トーションバーに捩れ角が生じると、磁束変化をホール素子で検知し、このホール素子から出力された信号に基づいて操作トルクを検出する。

インダクタンス式トルクセンサは、特開２００５−０１００１５号公報（特許文献３）で紹介されているように、トーションバーの捩れ角に応じて磁束の通過断面を変更させる機構と、当該機構の磁束変化を検出する検出コイルとを具備し、トーションバーに捩れ角が生じると、検出コイルで磁束変化を検知し、当該信磁束変化に基づいて操作トルクを検出する。

レゾルバ式トルクセンサは、特開２００３−３１２５２０号公報（特許文献４）で紹介されているように、ハンドル側に設けられた第１のレゾルバと、ピニオン側に設けられた第２のレゾルバと、第１のレゾルバ及び第２のレゾルバを固定させたトーションバーとを具備し、トーションバーに捩れ角が生じると、第１のレゾルバでの磁束変化と第２のレゾルバでの磁束変化とに差異が発生し、この差異に基づいて操作トルクを検出する。

特開平１１−０３４４３９２号公報 特開２００３−１４９０６２号公報 特開２００５−０１００１５号公報 特開２００３−３１２５２０号公報

近年、電動式パワーステアリング装置の技術にあっては、操縦性、ハンドルのレイアウトの容易性、操縦者の安全性の観点から、操縦者が操作を行なう機構とタイヤ側の操舵機構とを機械的に独立させたステアバイワイヤー化の要請が高まっている。しかしながら、特許文献１〜特許文献４に係る技術では、トーションバーを介して双方の機構が接続されるので、かかる要請に応えるものと成り得ない。

また、特許文献１〜特許文献４に係る技術では、シャフトの捩れ角に相当する情報を検出してハンドル操作時の操作トルクを検出するため、シャフトの捩れ角を精度良く検出するには、剛性の低いトーションバーを用いることが必要となる。このため、トルクセンサ及び電動式パワーステアリング装置は、トーションバー周辺の機構が複雑となり、部品点数の増加、装置の大型化、コストの高騰を招くとの問題が生じる。

本発明は上記課題に鑑み、簡素な構成及び装置の小型化を実現させるトルクセンサ及び電動式パワーステアリング装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では次のようなパワーステアリング用トルクセンサの構成とする。即ち、ハンドル操作に応じて回動する回転子と、前記回転子を回動自在とさせて組合される固定子と、複数のコイルから成る回路であって前記コイルを貫通する磁束変化に基づいて前記回転子の動作を検出する信号発生回路とを備えることとする。

好ましくは、前記信号発生回路は、前記回転子のスロット形成部に前記コイルが巻回されていることとする。

また、前記回転子及び前記固定子及び前記信号発生回路によって、籠型誘導電動機又は同期式電動機を成すこととしても良く、籠型誘導発電機又は同期式発電機を成すこととしても良い。

更に、本発明では、上述した発明の何れか一つに記載のパワーステアリング用トルクセンサを備えた電動式パワーステアリング装置としても良い。

本発明に係るパワーステアリング用トルクセンサによると、捩れ角を検出することなく、ステアリングシャフトの回転によって発生する検出電流に基づいて、操舵方向及び操舵トルクを推定できることとなる。このため、トーションバー等のような捩れ角を積極的に発生させる機構が不要となるため、当該トルクセンサＴＳは、簡素な構造とされたステアリングシャフトへ装着することでトルク値等の検出が可能となり、センサ構造の小型化、低コスト化を実現できる。

そして、本発明に係る電動式パワーステアリングによると、トーションバー及びこれを固定させる複雑な機構を排除できるので、部品点数の減少、装置の小型化、コストの低減を図ることができる。

本発明に係るパワーステアリング用トルクセンサによると、双方のモータの動作のみによってハンドル操作の状態（操舵方向、操舵トルク）を検出できるので、ステアリングシャフト（操縦者が操作を行なう機構）とタイヤ側の操舵機構とを機械的に独立させた電動式パワーステアリング装置に用いることができる。

このため、本発明に係る電動式パワーステアリングによると、操縦者が操作を行なう機構とタイヤ側の操舵機構とを機械に独立させたステアリングシャフトを用いれば、上述したステアバイワイヤー化された装置構成が可能となる。

電動式パワーステアリング装置の構成を示す図。 ＥＰＳモータの動力伝達機構を示す図。 実施の形態に係るトルクセンサの構成を示す図。 実施の形態に係るトルクセンサの断面構造を示す図。 実施例１に係るトルクセンサと信号処理回路とを示す図。 実施例１に係る信号発生回路を示す図。 実施例１に係る信号処理回路を示す機能ブロック図。 トルク信号の生成されるプロセスを説明する図（実施例１）。 ハンドルを右方向へ操作したときの状態遷移図（実施例１）。 右操作時の方向信号が生成されるプロセスを説明する図（実施例１）。 ハンドルを左方向へ操作したときの状態遷移図（実施例１）。 左操作時の方向信号が生成されるプロセスを説明する図（実施例１）。 実施例２に係るトルクセンサと信号処理回路とを示す図。 電流特性とトルク特性との関係を示す図。

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して説明する。図１に示す如く、電動式パワーステアリング装置２００は、コラム式の電動式パワーステアリング装置であって、ステアリングシャフト２１１及びシャフトケース２２０及びトルクセンサ収容部３００及び信号端子３００ａ及びギヤボックス２５０から成る本体部２００と、当該本体部に固定されるモータユニット１００とから構成される。以下、ステアリングシャフト２１１の軸心を軸方向とし、当該軸方向のギヤボックス２５０が配される側をリア側ＤＲと称し、当該リア側ＤＲの反対側をフロント側ＤＦと称することとする。尚、フロント側ＤＦには、伝達シャフトＣＳＨを介してピニオンギヤボックスＰＧＷが接続され、リア側ＤＲには、ハンドル装置ＨＤＭが接続される。

ハンドル装置ＨＤＭ（図示なし）は、操縦者によって操作されるハンドルを具備し、当該ハンドルが操作されることにより電動式パワーステアリング装置のステアリングシャフト２１１を回動させる。ハンドル装置ＨＭＤには、衝突事故の際に操縦者を保護するエアバッグ装置、又は、アシストトルク発生させるアシスト装置等を具備するものも有る。

ステアリングシャフト２１１は、円柱状の棒体を成し、シャフトケース２２０に収容されている。当該ステアリングシャフト周辺の機構は、内部にトーションバーを具備しないため、非常に簡素なものとされる。ステアリングシャフト２１１は、フロント側ＤＦに雄ネジ２１１ａ及びスプライン２１１ｂが形成され、リア側ＤＲにもスプライン２１２が形成されている。かかるステアリングシャフト２１１は、リア側ＤＲにはハンドル装置ＨＤＭが接続され、フロント側ＤＦにはピニオンギヤボックスＰＧＷが接続され、ハンドル操作によって生じる操作トルクを車輪の操舵機構（図示なし）へ伝達する。

トルクセンサ収容部３００は、ステアリングシャフト２１１を挿通させ、当該ステアリングシャフト２１１の周辺にトルクセンサ（図示なし）が配置される。トルクセンサ（特許請求の範囲におけるパワーステアリング用トルクセンサ）は、ワイヤ線が引き出され、信号端子３００ａへ適宜に配線されている。この信号端子３００ａは、ハーネス（図示なし）を介してモータユニット１００の制御回路１５０へ接続されている。そして、トルクセンサは、ステアリングシャフト２１１が回動すると、操作トルクを示すトルク信号及び操作方向を示す方向信号をモータユニット１００に対して出力する。尚、図示されないトルクセンサについては、追って詳述することとする。

ギヤボックス２５０は、図示の如く、ギヤ側ブラケット２５２が一体的に形成され、ボルトナットＢ／Ｎを用いてモータユニット１００を固定させている。図２を参照し、ギヤボックス２５０の内部構造について説明する。同図には、図１中のＡ−Ａ断面を矢線方向に観察した断面図が示されている。かかるギヤボックス２５０は、ウォーム収容部２５１と平歯車収容部２５５とが一体的に形成されている。

ウォーム収容部２５１は、モータユニット１００の動作に連動して回動する入力シャフト２５３を備えている。当該入力シャフト２５３は、ウォームギヤ２５３ｇが形成され、ベアリング２５４ａ，２５４ｂによって回動自在に軸支される。

平歯車２５２ｇは、ウォームギヤ２５３ｇと同一モジュールの歯が形成され、当該ウォームギヤ２５３ｇに歯合される。平歯車収容部２５２は、中心部にステアリングシャフト２１１が軸着され、当該ステアリングシャフト２１１は、平歯車２５２ｇの動作に連動して回動する。即ち、ギヤボックス２５０に内蔵されるこれらの部品によって、電動式パワーステアリング装置用の減速ギヤ機構が構成される。

図１に戻り説明を続ける。モータユニット１００は、制御モータが内蔵されたモータ収容部１６０と、モータ駆動用トランジスタ（パワートランジスタ）等のドライブ回路を内蔵させた電力変換部１３０と、モータ駆動用トランジスタの駆動信号を生成させる制御回路部１５０とから構成される。制御回路部１５０は、トルクセンサからトルク信号を受信すると、アシストトルクを発生させるのに必要なＰＷＭ信号を生成出力させる。このとき、ドライブ回路では、ＰＷＭ信号に応じて各パワートランジスタが適宜に駆動され、端子部１４０から印加された電力を適宜の波形に変換させる。これにより、制御モータは、ドライブ回路によって適宜に制御され、トルク信号及び方向信号に対応した出力トルクを発生させる。

かかる構成を具備する電動式パワーステアリング装置は、操縦者がハンドル装置ＨＤＭを操作すると、そのハンドル操作に応じてステアリングシャフト２１１に操作トルクが伝えられる。これを受けて、トルクセンサでは、ハンドル操作に応じたトルク信号及び方向信号を出力させ、モータユニット１００に対してアシストトルクを要求する。制御回路部１５０では、トルクセンサの信号を受けて、必要とされるアシストトルクのトルク量とアシスト方向とを算出し、モータユニット１００は、ウォ−ムギヤ２５３ｇ及び平歯車２５２ｇを介して、ステアリングシャフト２１１へアシストトルクを与える。即ち、電動式パワーステアリング装置は、トルクセンサからの信号に基づいてアシストトルクを発生させ、操縦者のハンドル操作に必要な力を軽減させる。

図３は、トルクセンサ収容部３００へ内蔵されるトルクセンサＴＳの構成が示されている。トルクセンサＴＳは、回転子３１２と固定子３１１と信号発生回路３１３（図５及び図６で信号発生回路が示されている）とから構成される。固定子３１１及び回転子３１２は、積層された珪素鋼板から成る。このうち、固定子３１１には、内部にスロット形成部ＳＬが設けられ、当該スロット形成部ＳＬにコイルが巻回される。このコイルは、信号発生回路３１３を構成するものであって、スロット形成部ＳＬの各々に設けられることとなる。一方、本実施の形態に係る回転子３１２は、図示の如く珪素鋼板が適宜に積層され、同期式発電機の場合、永久磁石が円周上に設けられ、籠型の誘導発電機の場合、誘導電流を発生させる籠状の導電枠体が設けられる。また、巻線型の誘導発電機の場合、回転子３１２に複数のコイルが巻回され、スリップリングを介して当該コイルが信号ラインへ接続される。

図４は、トルクセンサ収容部３００及びトルクセンサＴＳの断面構造が示されている。図示の如く、トルクセンサ収容部３００は、ハウジング３０１を具備し、当該ハウジング３０１の内周側にトルクセンサＴＳを収容させている。

ハウジング３０１は、固定子３１１の外周面が嵌入され、ギヤボックス２５０及びシャフトケース２２０のフランジ部によって適宜な位置に配置される。そして、ギヤボックス２５０及びシャフトケース２２０及びハウジング３０１は、複数個所に設けられたボルトナットＢ／Ｎによって一体的に固定される。また、ハウジング側のフランジには径方向に貫通孔が形成され、信号ラインＬ１又はこの他の電源ライン（図示なし）が挿通されている。

ステアリングシャフト２１１は、図示されないベアリング等によって回動自在に軸支され、固定子３１１の中心軸に対して略同軸的に配置される。このような状態で回転子３１２が固定子３１１に組合されると、回転子３１２は、ステアリングシャフト２１１に固定されているので、操縦者のハンドル操作に応じて固定子３１２の内部を回動することとなる。

ハンドル操作が行われると、ステアリングシャフト２１１と共に回転子３１２が回動し、コイルの内側で磁束の変化が生じることとなる。このとき、信号発生回路３１３は、コイルを貫通する磁束変化に基づいて回転子の回転動作を検出し、当該コイルで誘導起電力を発生させ、信号発生回路３１３へ接続された信号ラインに駆動信号を出力させる。

かかる信号発生回路３１３は、固定子側に配置されると、信号ラインの配線が容易となる。このため、トルクセンサＴＳとして同期式発電機又は籠型誘導発電機を採用すると、固定子側へ信号発生回路３１３が配置されるため、其の信号ラインの配線が容易となる。但し、巻線型の誘導発電機を用いても、スリップリング等の機構を用いることで回転子側のコイルの誘導電流を検出し、回転子自身のトルク又は回転方向等の回転動作を検出することは可能である。

尚、本実施の形態では、トルクセンＴＳが発電機であるとして説明しているが、これに限らず、所定の電力が定常的に加えられているモータ（電動機）を採用させても良い。この場合、当該モータで発生する滑りに基づいて、回転子の回動方向及び回転トルクが検出されることとなる。また、当該モータは、同期モータであっても良く、誘導モータであっても良い。

上述の如く、本実施の形態に係るトルクセンサＴＳによると、トーションバー及びこれを固定させる複雑な機構を排除できるので、部品点数の減少、装置の小型化、コストの低減を図ることができる。

また、同トルクセンサＴＳでは、操舵動作のみによってハンドル操作の状態（操作方向、操作トルク）を検出できるので、ハンドル側の操作機構とタイヤ側の操舵機構とを機械的に独立させた電動式パワーステアリング装置に用いることができる。このため、本実施の形態に係る電動式パワーステアリングによると、操縦者が操作を行なう機構とタイヤ側の操舵機構とを機械に独立させたステアリングシャフトを用いれば、ステアバイワイヤー化された装置構成が可能となる。

以下、発電機タイプのトルクセンサについて説明する。図５は、同期発電機を採用させたトルクセンサＴＳと信号処理回路４００とが示されている。尚、同図のトルクセンサＴＳは、図４に示されるａ−ａ断面から観察した状態が示されている。

図示の如く、固定子３１１には、スロット形成部ＳＬａ〜ＳＬｃが１２０°毎に形成され、ワイヤ線が巻回されたコイルＬａ〜Ｌｃは、スロット形成部に対応して設けられる。各々のコイルの末端は、回転子３１２に対向する用にレイアウトされ、永久磁石が通過するとコイルの内部を通過する磁束が変動する。本実施の形態では、各々のコイルは、Ｓ極が接近すると正電圧を発生させ、Ｎ極が接近すると負電圧を発生させるように、コイルのワイヤ線が巻回されている。

また、各々のコイルには、各コイルに対応する抵抗が並列接続されている。尚、同図では、ａ点−ａ点間の配線，ｂ点−ｂ点間の配線，ｃ点−ｃ点間の配線が図示省略されているが、実際にはこれらの区間にもワイヤ線が配線されている。

図６には、コイル、抵抗、ワイヤ線によって形成される信号発生回路が示されている。本実施の形態に係る信号発生回路３１３は、Δ結線が採用される。具体的に説明すると、コイルＬａ〜ＬｃがΔ状に配線され、同様に、抵抗Ｒａ〜ＲｃもΔ状に配線される。更に、コイル側の接点Ｘ１〜Ｘ３と抵抗側の接点Ｙ１〜Ｙ３とは、ワイヤ線によって互いに接続されている。信号発生回路３１３は、コイルＬａ及び抵抗Ｒａから成る第１の並列回路と、コイルＬｂ及び抵抗Ｒｂから成る第２の並列回路と、コイルＬｃ及び抵抗Ｒｃから成る第３の並列回路とから構成される。尚、本実施の形態では信号発生回路がΔ結線とされているが、これに限らず、Ｙ結線とした信号発生回路を用いることも可能である。

かかる信号発生回路３１３は、例えば、回転子のＳ極又はＮ極（以下、総称して磁極と呼ぶ場合がある）がスロット形成部ＳＬａを通過する際、コイルＬａで誘起電圧Ｖａを発生させる。同様に、回転子のＳ極又はＮ極がスロット形成部ＳＬｃを通過する際、コイルＬｃで誘起電圧Ｖｃを発生させる。ここで、各コイルで発生する誘起電圧は、並列回路を成す抵抗によって調整されるものであって、ハンドル操作に応じて発生する動作信号を指すものである。即ち。信号発生回路３１３では、ハンドル操作に伴って回転子３１２が回動すると、コイルを貫通する磁束が変化され、これにより、ハンドル操作を示す動作信号が生成される。尚、かかる動作信号は、回転子３１２及び固定子３１１から成る発電機の発電作用によって発生するので、当該信号生成に係る電力は不要である。

図示の如く、信号発生回路３１３には、信号ラインＬ１及びＬ２が設けられている。このうち、信号ラインＬ１は、接点Ｘ１〜接点Ｙ１間のワイヤ線に接続され、信号ラインＬ２は、接点Ｘ２〜Ｙ２間のワイヤ線に接続される。また、接点Ｘ３〜接点Ｙ３は、自動車のシャーシに接触される等して、自動車の基準電位に一致することとなる。

このように、信号発生回路３１３に接続された信号伝達手段を用いることで、トルクセンサＴＳで発生した動作信号を取り出すことが可能となる。尚、信号伝達手段（本実施の形態では信号ライン）は、必ずしもワイヤ線に接続されることを必要としない。例えば、信号発生回路のワイヤ線にコイル式センサ等が設けられるのであれば、信号伝達手段は、其のセンサ装置に接続されることとなる。

本実施の形態に係るトルクセンサＴＳは、３箇所にコイルが配列され、異なる接点Ｘ１，Ｘ２に信号ラインが各々接続されている。ここで、ハンドルが「Ｌｃ→Ｌｂ→Ｌａ（右回転方向）」へ操作されると、先ず、コイルＬｃを磁極が通過し、接点Ｘ１の電位が変動する。このとき、信号ラインＬ１からは、接点Ｘ１での電位の変動に応じて動作信号Ｓｇ１が出力される。また、回転子３１２は右方向へ回転されるので、コイルＬｂを磁極が通過し、接点Ｘ２での電位が変動する。このとき、信号ラインＳｇ２からは、接点Ｘ２での電位の変動に応じて動作信号Ｓｇ２が出力される。

一方、ハンドルが「Ｌａ→Ｌｂ→Ｌｃ（左回転方向）」へ操作されると、先ず、コイルＬａを磁極が通過し、接点Ｘ２の電位が変動する。このとき、信号ラインＬ２からは、接点Ｘ２での電位の変動に応じて動作信号Ｓｇ２が出力される。また、回転子３１２は左方向へ回転されるので、コイルＬｂを磁極が通過し、接点Ｘ１での電位が変動する。このとき、信号ラインＳｇ１からは、接点Ｘ１での電位の変動に応じて動作信号Ｓｇ１が出力される。

即ち、本実施の形態では、信号ラインＬ１，Ｌ２が異なる位置に接続されることにより、回転子の回転動作に応じて発生する動作信号の発生タイミング（動作信号における位相の相異）が検出され、これにより、操作方向の検出が可能となる。

このような方法で回転方向を検出する場合、仮に２個のコイルから成る固定子を用いると、回転子３１２は、回動方向に関わらず「第１のコイル→第２のコイル→第１のコイル→・・・」の順で各コイルを励起させることとなり、動作信号に操作方向の情報を付加できなくなる。このため、固定子には、３相以上のコイルを形成させるのが好ましい。また、異なる相のコイルを３個以上組合せることで、信号ラインを２箇所以上に設け且つ基準電位へのグランドラインを確保することが可能となる。

再び図５に戻り説明を続ける。図示の如く、トルクセンサＴＳには、更に信号処理回路４００が設けられている。当該信号処理回路４００は、入力部へ信号ラインＬ１及びＬ２が接続され、信号ラインＬ１を介して駆動信号Ｓｇ１が入力され、信号ラインＬ２を介して駆動信号Ｓｇ２が入力される。そして、本実施の形態に係る信号処理回路４００では、かかる駆動信号Ｓｇ１，Ｓｇ２に基づいて信号処理を行い、トルク信号Ｓｔと方向信号Ｓｒとを出力させる。尚、トルク信号Ｓｔとは、ハンドル操作時の操作トルクを示す信号を言い、方向信号とは、ハンドル操作時の操作方向（右回転方向／左回転方向）を示す信号を言う。

図７は、信号処理回路の機能ブロック図が示されている。かかる信号処理回路４００は、トルク信号生成回路４１０と方向信号生成回路４２０とから構成される。このうち、トルク信号生成回路４１０は、フィルタ回路４１１と増幅回路４１２と整流回路４１３と平滑回路４１１とから構成される。

フィルタ回路４１１は、信号ラインＬ１に接続され、ハンドル操作によって発生した動作信号Ｓｇ１が入力される。フィルタ回路４１１は、内部にローパスフィルタを構成させ、動作信号Ｓｇ１に重畳される高周波ノイズ成分を除去させる。この動作信号Ｓｇ１は、コイルＬｂを磁極が左回転方向に通過する時、及び、コイルＬｃを磁極が右回転方向へ通過する時に発生する。そして、動作信号の波形は、図８（ａ）に示す如く略サインカーブを呈し、Ｓ極がコイル先端に接近するときに正電位を示し、Ｎ極が接近するときに負電位を示す。

本実施の形態に係る発電機にあっては、ハンドルの操作（操作トルク）に応じて、回転子３１２の角速度が変動する。このため、固定子３１１に設けられたコイルの内部では、操作トルクが変動すると、単位時間ｄｔあたりの磁束Φの変化量（ｄΦ／ｄｔ）が増減する。従って、ハンドルを穏やかに操作すると（低角速度時）、動作信号Ｓｇ１は、コイル内部でのサイン波形の振幅を小さくする傾向を示す。一方、急激なハンドル操作を与えると（高角速度時）、動作信号Ｓｇ１は、サイン波形の振幅を大きくする傾向を示す。例えば、自動車が高速走行している場面では、ハンドルは緩やかに操作されるので、サイン波形の振幅が小さく現われる。これに対し、市街地の交差点で右左折するような場面では、ハンドルは急速度で回されるので、サイン波形の振幅が大きく現われる。

増幅回路４１２は、フィルタ回路４１１の後段に接続され、内部のオペアンプＩＣには正負両極の電源が与えられている。このオペアンプＩＣへ投入される電源電圧の絶対値は、動作信号における電圧値の絶対値よりも高く設定されている。このため、増幅回路４１２では、図８（ｂ）に示す如く、入力された動作信号Ｓｇ１の振幅を正負方向へ増幅させることとなる。

整流回路４１３は、入力波形を全波整流させ、具体的に説明すると、図８（ｃ）に示される状態の波形が成形させる。

平滑回路４１４は、平滑用に設けられたコンデンサから成るものであって、整流回路４１３の出力ラインに接続される。このコンデンサは、入力される電流Ｉを出力電圧Ｖｔ（トルク信号Ｓｔ）へ変換する役割を担うため、出力電圧Ｖｔが信号値として所定の範囲に収まるよう、電気容量が適宜に選択される。平滑回路４１４として用いられるコンデンサでは、全波整流波によって発生した電流Ｉが電荷となって蓄積され、この電荷は、コンデンサの極板に帯電し出力電圧Ｖｔを生成させる。かかる出力電圧Ｖｔは、全波整流波が平滑され、当該全波整流波のピーク値近傍の電圧値に制御される。以上のことから、平滑回路４１４へ入力される全波整流波は、操作トルクＴｑに応じてピーク値が変動するため、出力電圧Ｖｔ（トルク信号Ｓｔ）は、操作トルクＴｑに応じて電圧値の大きさが変動することとなる。

トルク信号Ｓｔは、モータユニット１００の制御回路部１５０に格納された演算回路へ入力される。当該演算回路は、ＣＰＵ，ＡＤ変換回路，メモリ回路等を具備し、マイコンのような演算機能を発揮させるものである。特に、メモリ回路には、出力電圧Ｖｔとモータ駆動用トランジスタの動作（デューティー比）との関係を記録した駆動信号用マップと、モータを駆動させるための制御プログラムとが格納されている。この駆動信号用マップの作成にあたっては、ステアリングシャフト２１１へ数種類の操作トルクＴｑを加える実験を行ない、操縦者の操作トルクＴｑに対して適切なアシストトルクを予め規定しておく。このうち、操作トルクＴｑは、トルク信号Ｓｔの電圧値に置換えることができる。また、アシストトルクは、モータ駆動用トランジスタのデューティー比に置換えることができる。このことから、アシストトルクを発生させるに必要な情報は、出力電圧Ｖｔの電圧とモータ駆動用トランジスタのデューティー比ということができる。このため、本実施の形態に係る駆動信号用マップには、出力電圧Ｖｔが電圧値毎に記録され、併せて、各出力電圧に対応するデューティー比が記録される。

かかる構成とされた演算回路は、トルク信号Ｓｔが入力されると、其の電圧値を認識し、トルク信号の電圧値に対応するデューティー比をメモリ回路から選択する。即ち、モータユニット１００の演算回路では、トルク信号Ｓｔから操作トルクＴｑを推定し、この操作トルクＴｑに相応しいアシストトルクを発生するよう、モータ駆動用トランジスタのデューティー比を設定させる。

図７へ戻り、方向信号生成回路４２０について説明する。図示の如く、方向信号生成回路４２０は、増幅回路４１５及び４２２とフィルタ回路４２１とフリップフロップ回路４２３とから構成される。

増幅回路４１５は、上述したフィルタ回路４１１に接続され、動作信号Ｓｇ１が入力される（図１０ａ参照）。また、内部のオペアンプＩＣには正両極の電源が与えられ、基準電圧が０Ｖとされている。更に、オペアンプＩＣの周囲の抵抗は、増幅率を十分高く設定させ動作信号Ｓｇ１の値を正極電源に収束させる。このため、増幅回路４１５から出力された出力信号は、入力されたサイン波形の負成分をキャンセルさせると供に、サイン波形の正極成分を矩形波Ｓｐ１へ変換させる（図１０ｃ参照）。

一方、フィルタ回路４２１は、動作信号Ｓｇ２のノイズ成分を除去させ、当該動作信号Ｓｇ２を増幅回路４２２へ入力させる（図１０ｂ参照）。かかる増幅回路４２２にあっても、内部のオペアンプＩＣには正両極の電源が与えられ、基準電圧が０Ｖとされ、矩形波Ｓｐ２を形成させる機能を担う（図１０ｄ参照）。

フリップフロップ回路４２３は、時間要素を取入れた論理回路であって、本実施の形態にあってはＤ型のフリップフロップ素子Ｄ−ＦＦが用いられる。本実施の形態に係るフリップフロップ素子Ｄ−ＦＦは、信号入力端子Ｄとクロック入力端子ＣＬＫと信号出力端子Ｑとを具備している。このうち、信号入力端子Ｄは、増幅回路４１５の出力部が接続され、動作信号Ｓｇ１に基づいて生成された矩形波Ｓｐ１が入力される。一方、クロック入力端子ＣＬＫは、増幅回路４２２の出力部が接続され、動作信号Ｓｇ２に基づいて生成された矩形波Ｓｐ２が入力される。

フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦの機能は、クロック入力端子ＣＬＫへパルス（常時：Ｌｏｗ／パルス発生時：Ｈｉｇｈ）が入力されると、パルスが入力された瞬間における信号入力端子Ｄの信号状態が出力される。具体的に説明すると、信号入力端子Ｄへの信号（本実施の形態の場合、動作信号Ｓｇ１）がＬｏｗ状態のときに、クロック入力端子ＣＬＫのパルス（動作信号Ｓｇ２）が入力されると、出力端子Ｑからは、Ｌｏｗ状態の信号が出力される。これに対し、信号入力端子Ｄへの信号（本実施の形態の場合、動作信号Ｓｇ１）がＨｉｇｈ状態のときに、クロック入力端子ＣＬＫのパルス（動作信号Ｓｇ２）が入力されると、出力端子Ｑからは、Ｈｉｇｈ状態の信号が出力される。尚、フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦから出力される信号は、操作方向信号Ｓｒに相当する。

ここで、ハンドルが右方向へ操作される場合の操作信号について説明する。図９にはハンドルが右方向へ操作される際の回転子の動作が示されている。先ず、図９（ａ）に示す如く、回転子３１２の磁極がコイルＬｃを通過すると、図６で示すように接点Ｘ１での電位が変動し、信号ラインＬ１から動作信号Ｓｇ１を出力させる。この動作信号Ｓｇ１は、図１０（ａ）に示す如く正弦波として現われ、ロータ３１２の回転周期に対応して現われる。かかる動作信号Ｓｇ１は、増幅回路４１５によって矩形波Ｓｐ１へと変換される（図１０ｃ参照）。

回転子３１２の磁極は、コイルＬｃを通過すると、今度はコイルＬｂを通過する。かかる場面では、図６で示すように接点Ｘ２での電位が変動するため、信号ラインＬ２から動作信号Ｓｇ２が出力される（図１０ｂ参照）。そして、この動作信号Ｓｇ２は、動作信号１と同様、増幅回路４２２によって矩形波Ｓｐ２へと変換される（図１０ｄ参照）。

ここで、ハンドルが右方向へ操作される場合、回転子３１２の磁極は「コイルＬｃ→コイルＬｂ」の順序で移動するため、動作信号Ｓｇ１が先に現われ、その後、動作信号Ｓｇ２が現われる。このため、フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦでは、矩形波Ｓｐ１が先に信号入力端子Ｄへ入力され、その後、矩形波Ｓｐ２がクロック入力端子ＣＬＫへ入力される。このため、フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦから出力される方向信号Ｓｒは、矩形波Ｓｐ２が入力された時点の矩形波Ｓｇ１の状態を示し、Ｈｉｇｈ状態の信号を出力することとなる（図１０ｅ参照）。

これとは反対に、図１１にはハンドルが左方向へ操作される際のロータの動作が示されている。先ず、図１１（ａ）に示す如く、回転子３１２の磁極がコイルＬａを通過すると、図６で示すように接点Ｘ２での電位が変動し（図１２ｂ参照）、この場合には、信号ラインＬ２から動作信号Ｓｇ２が先に出力されることとなる。この動作信号Ｓｇ２は、増幅回路４２２によって矩形波Ｓｐ２へと変換される（図１２ｄ参照）。

回転子３１２の磁極は、コイルＬａを通過すると、今度はコイルＬｂを通過する。かかる場面では、図６で示すように接点Ｘ１での電位が変動するため、信号ラインＬ１から動作信号Ｓｇ１が出力される（図１２ａ参照）。そして、この動作信号Ｓｇ１は、動作信号Ｓｇ２と同様、増幅回路４１５によって矩形波Ｓｐ１へと変換される（図１２ｃ参照）。

ここで、ハンドルが左方向へ操作される場合、回転子３１２の磁極は「コイルＬａ→コイルＬｂ」の順序で移動するため、先とは逆に、動作信号Ｓｇ２が先に現われ、その後、動作信号Ｓｇ１が現われる。このため、フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦでは、矩形波Ｓｐ２がクロック入力端子ＣＬＫへ入力された後、矩形波Ｓｐ１が信号入力端子Ｄへ入力される。このため、フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦから出力される方向信号Ｔｒは、矩形波Ｓｐ２が入力された時点の矩形波Ｓｇ１の状態を示すところ、Ｌｏｗ状態の信号を出力することとなる（図１２ｅ参照）。

即ち、本実施の形態に係る方向信号Ｔｒは、Ｈｉｇｈ状態とされる場合に右操作を示し、Ｌｏｗ状態とされる場合に左操作を示すこととなる。

方向信号Ｔｒは、トルク信号Ｓｔと同様に、モータユニット１００の演算回路に入力される。当該演算回路では、方向信号ＴｒがＨｉｇｈ状態であるかＬｏｗ状態であるかに基づいて、操作方向を認識する。そして、演算回路は、トルク信号Ｓｔから設定されたデューティー比に操作方向の情報を付与し、之をモータ駆動用トランジスタの駆動信号として出力する。

上述の如く、本実施の形態に係るトルクセンサＴＳによると、発電作用によってハンドル操作を示す動作信号Ｓｇ１，Ｓｇ２が生成されるので、トルクセンサＴＳを構成する発電機での消費電力は一切不要となる（所謂無効信号が不要となる）。このため、電動式パワーステアリング装置では、トルクセンサＴＳから出力される信号をセンシングするための電力が格段に低減される。

また、かかるトルクセンサＴＳによると、ハンドル操作を行っていない場面では固定子内部のコイルに電流が発生しないので、電動式パワーステアリングへ組込む発電機を一個としても、当該トルクセンサＴＳに起因する不要なトルクが発生せず、自動車の直進走行時の操作性能が向上する。そして、電動式パワーステアリング装置では、かかる如くトルクセンサＴＳが一個とされるので、装置構成の簡素化が図られ、また、これによるコストの低廉化も図られる。

以下、モータタイプ（電動機タイプ）のトルクセンサについて説明する。図１３に示す如く、トルクセンサＴＳは、固定子３１１と回転子３１２と信号発生回路３１３とから構成される。また、トルクセンサＴＳへは、信号処理回路４００とインバータ回路５００とが配線されている。

インバータ回路５００は、電源ラインＬｕ及び電源ラインＬｖ及び電源ラインＬｗを介して、固定子３１１に形成された所定のコイルに接続される。また、インバータ回路５００は、トルクセンサＴＳで電気角を発生させるための３相交流電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）を出力させる。

信号処理回路４００は、信号ラインＬ１を介して駆動信号Ｓｇを検出し、これに基づいて、ドライブシャフト２１１に加えられたトルクの向きを示す操舵信号Ｓｒと、トルクの大きさを示すトルク信号Ｓｔとを生成出力する。

回転子３１２は、積層鋼板から成る略円筒体と、導電材から成る籠状体とから構成される。積層鋼板から成る円筒体は籠状体の内部に組み込まれており、ドライブシャフトの動作に応じて、双方一体的に回転する。このとき、積層鋼板の周面では、籠状体の柱部の各方向に電流が発生し、これに応じて、所定の磁束が形成される。

信号発生回路３１３は、ワイヤ線から成る回路であって、ｕ相用コイルとｖ相用コイルとｗ相用コイルとを形成させている。当該コイルの各々は、電源ラインＬｕ〜Ｌｗに接続されている。信号発生回路３１３は、３相交流電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）が入力されると、トルクセンサにおいて反時計回りＦｙに回転磁界を形成させる。この３相交流電流は、ＰＷＭ制御により生成されるものとされるが、回転磁界によって生じる回転子のトルク（以下、定常トルクと呼ぶ）を低減させるよう、其の電流の状態が調整されている。

固定子３１１では、上述の如く、３相交流電流の入力に応じて、反時計回りＦｙに回転磁界が形成される。このため、回転子３１２が反時計回りＦｙに回転すると、回転磁界に対する回転子の滑りＳは、Ｓ＜１の関係を満たすこととなる（図１４参照）。これに対し、回転子３１２が時計回りＦｘに回転すると、回転磁界に対する回転子の滑りＳは、Ｓ＞１の関係を満たすこととなる。また、回転子が回転していない静止状態のとき、其の滑りＳは、Ｓ＝１の関係を満たすこととなる。以下、反時計回りＦｙの回転方向を、左回転と呼び換え、時計回りＦｘの回転方向を、右回転と呼び換える。

図１４の電流特性を参照すると、「Ｓ＝１」の状態からハンドルを左回転（Ｓ＜１）へ操作すると、検出信号Ｓｇの電流値が低下していくことが認められる。また、そのハンドル操作時に加えたトルクΔＴ１は、当該電流値（Ｓｇ）の減少量から算出できることが解る。一方、「Ｓ＝１」の状態からハンドルを右回転（Ｓ＞１）へ操作すると、検出信号Ｓｇの電流値が増加していくことが認められる。また、そのハンドル操作時に加えたトルクΔＴ２は、当該電流値（Ｓｇ）の増加量から算出できることが解る。

即ち、信号処理回路４００は、検出信号Ｓｇの増減を検出してハンドルの操舵方向を検出し、此れを処理して、操舵信号Ｓｒを出力させる。また、かかる信号処理回路４００は、検出信号Ｓｇの変動量を演算処理し、トルク信号Ｔｒを出力させる。

かかるモータ式のトルクセンサでは、回転磁界を定常的に発生させるため電力消費が生じるという不具合、当該回転磁界に起因してドライブシャフト側へ定常トルクが生じてしまうとの不具合、の２点の不具合が懸念される。しかし、相電流の制御を適宜に行うことで、定常トルクの発生を最小限に抑えることが可能である。また、このような定常トルクをキャンセルさせる装置を追加構成させても良い。

上述の如く、本実施例に係るトルクセンサにあっても、実施の形態で説明した同等の効果が奏される。

１００ 電動式パワーステアリング装置
ＴＳ パワーステアリング用トルクセンサ
３１０ 発電機
３１１ 回転子
３１２ 固定子
３１３ 信号発生回路
４００ 信号処理回路

Claims (5)

1. ハンドル操作に応じて回動する回転子と、前記回転子を回動自在とさせて組合される固定子と、複数のコイルから成る回路であって前記コイルを貫通する磁束変化に基づいて前記回転子の動作を検出する信号発生回路とを備えることを特徴とするパワーステアリング用トルクセンサ。
2. 前記信号発生回路は、前記回転子のスロット形成部に前記コイルが巻回されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーステアリング用トルクセンサ。
3. 前記回転子及び前記固定子及び前記信号発生回路によって、籠型誘導電動機又は同期式電動機を成すことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーステアリング用トルクセンサ。
4. 前記回転子及び前記固定子及び前記信号発生回路によって、籠型誘導発電機又は同期式発電機を成すことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーステアリング用トルクセンサ。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のパワーステアリング用トルクセンサを備えることを特徴とする電動式パワーステアリング装置。

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