JP2012154697A - トルク検出装置および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】体格の小型化が図られるトルク検出装置および電動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７は、入力軸２１に固定されてその回転方向において多極着磁されてなる第１の磁石３１と、出力軸２２に固定されてその回転方向において第１の磁石３１と異なる磁極数に多極着磁されてなる第２の磁石３２とを備えてなる。また、第１および第２の磁石３１，３２の間には、これら磁石の回転に伴う磁界変化に応じて位相の異なる電気信号を生成する第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄが配設されてなる。そして、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号に基づき入力軸２１および出力軸２２の回転角の差分が入力軸２１および出力軸２２の間に連結されるトーションバー２３のねじれ角として算出され、当該ねじれ角に基づき入力軸と出力軸との間に作用するトルクが算出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、トルク検出装置および電動パワーステアリング装置に関する。

従来、たとえば特許文献１に示されるようなトルク検出装置が知られている。当該装置は、入力軸と出力軸とがトーションバーを介して同軸上に連結されるとともに、入力軸の回転角を検出する第１の回転角検出装置、および出力軸の回転角を検出する第２の回転角検出装置を備えてなる。当該トルク検出装置は、第１および第２の回転角検出装置により検出される入力軸の回転角と出力軸の回転角との差分、すなわちトーションバーのねじれ角に基づき入力軸に印加されるトルクを検出する。当該トルク検出装置は、たとえば電動パワーステアリング装置に使用される。

特開２００９−６９１０６号公報

第１の回転角検出装置は、入力軸と一体的に回転する環状の磁石、および当該磁石の回転に伴い変化する磁界に応じた電気信号を生成する３つの磁気センサを備えてなる。これら磁気センサは、磁石の軸線方向において当該磁石に対向して設けられている。第１の回転角検出装置は、この３つの電気信号に基づき磁石、ひいては入力軸の回転角を演算する。第２の回転角検出装置も同様の構成とされている。

ここで、第１および第２の回転角検出装置を近接して設けた場合、これら装置の２つの磁石から発せられる磁界が互いの磁気センサに影響を及ぼし合うことにより、正確な回転角が得られないおそれがある。このため、特許文献１では、第１の回転角検出装置の各磁気センサに対して第２の回転角検出装置の磁石から発せられる磁界が及ばない程度、換言すれば第２の回転角検出装置の各磁気センサに対して第１の回転角検出装置の磁石から発せられる磁界が及ばない程度に、第１および第２の回転角検出装置を離間させている。

このようにすれば確かに各磁気センサの検出精度を維持することが可能になる。しかしその反面で、第１および第２の回転角検出装置との間に一定の離間距離を確保する必要があり、これがトルク検出装置の体格の小型化を阻害する一因となっていた。特に自動車の電動パワーステアリング装置に適用されるトルク検出装置においては、その体格の小型化に対する要求は依然として厳しいところ、前述したように第１および第２の回転角検出装置との間には一定の離間距離を確保する必要がある以上、トルク検出装置の小型化には限界があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、体格の小型化が図られるトルク検出装置および電動パワーステアリング装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、トーションバーの両端に連結された第１および第２の軸の間に作用するトルクを検出するトルク検出装置において、前記第１の軸に固定されてその回転方向において多極着磁されてなる第１の磁石と、前記第２の軸に固定されてその回転方向において前記第１の磁石と異なる磁極数に多極着磁されてなる第２の磁石と、前記第１および第２の磁石の間に配設されてこれら磁石の回転に伴う磁界変化に応じて位相の異なる電気信号を生成する４つの磁気センサと、前記４つの磁気センサにおいて生成される電気信号に基づき前記第１の軸および第２の軸の回転角の差分を前記トーションバーのねじれ角として算出し、当該ねじれ角に基づきトルクを算出する演算手段と、を備えてなることをその要旨とする。

本発明によれば、第１および第２の磁石の間に４つの磁気センサを配設し、これら磁気センサにおいて生成される電気信号を共用して第１および第２の磁石、ひいては第１および第２の軸の回転角が求められる。第１および第２の磁石は、それぞれから発せられる磁界が４つの磁気センサに印加される程度に近接させる必要がある。このため、第１および第２の磁石の間隔を小さく設定することができる。その間隔を小さくする分だけ、トルク検出装置の体格の小型化が図られる。また、４つの磁気センサにおいて生成される電気信号に基づきトーションバーのねじれ角を算出するところ、第１および第２の磁石の間隔は、磁気センサに干渉しない範囲において、小さく設定するほどよい。４つの磁気センサに印加される磁束密度が増大するからである。すなわち、トルク検出装置の体格の小型化が磁気センサの検出精度の維持あるいは向上につながる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のトルク検出装置において、前記電気信号は、前記第１の磁石から発せられる磁界変化に基づく第１の信号成分、および前記第２の磁石から発せられる磁界変化に基づく第２の信号成分が合成されたものであって、前記演算手段は、前記電気信号から前記第１の信号成分を前記第１の磁石の磁極数に応じた軸倍角を有する前記第１の軸の電気角として抽出する第１の抽出手段と、前記電気信号から前記第２の信号成分を前記第２の磁石の磁極数に応じた軸倍角を有する前記第２の軸の電気角として抽出する第２の抽出手段と、前記第１の抽出手段により抽出される前記第１の軸の電気角に対応する複数の機械角、および前記第２の抽出手段により抽出される前記第２の軸の電気角に対応する複数の機械角の差分をそれぞれ求めるとともに、これら差分と前記トーションバーの最大許容ねじれ角との比較を通じて前記第１の軸および前記第２の軸の機械角をそれぞれ算出する機械角算出手段と、を備えてなることをその要旨とする。

４つの磁気センサには、第１の磁石から発せられる磁界と、第２の磁石から発せられる磁界とが合成された磁界が印加される。このため、４つの磁気センサにおいて生成される電気信号は、前記第１の磁石から発せられる磁界変化に基づく第１の信号成分、および前記第２の磁石から発せられる磁界変化に基づく第２の信号成分が合成されたものとなる。

本発明によれば、第１の抽出手段により、４つの磁気センサの電気信号から、第１の信号成分を第１の磁石の磁極数に応じた軸倍角を有する第１の軸の電気角として抽出する。また、第２の抽出手段により、４つの磁気センサの電気信号から、第２の信号成分を第２の磁石の磁極数に応じた軸倍角を有する第２の軸の電気角として抽出する。ここで、第１および第２の軸の電気角は、それぞれの軸倍角に応じた複数の機械角に対応する。そこで、第１および第２の軸の回転角（機械角）は、トーションバーの最大許容ねじれ角によって制限されることを利用して、第１および第２の軸の回転角を求める。すなわち、第１および第２の軸の回転角の差分（絶対値）が最大許容ねじれ角を超えることはない。このため、第１および第２の軸の電気角に対応する複数の回転角（機械角）の差分とトーションバーの最大許容ねじれ角との大小をそれぞれ比較することにより、第１および第２の軸の回転角（機械角）をそれぞれ算出することが可能である。

請求項３に記載の発明は、電動パワーステアリング装置において、請求項１または請求項２に記載のトルク検出装置を備えてなることをその要旨とする。
請求項１または請求項２に記載のトルク検出装置によれば、その体格の小型化が図られる。このため、当該トルク検出装置は、車両への搭載性の観点などから小型化に対する要望がある電動パワーステアリング装置に好適である。

本発明によれば、トルク検出装置および電動パワーステアリング装置の体格の小型化が図られる。

電動パワーステアリング装置の概略構成を示す構成図。 トルクセンサの半断面図。 （ａ）は図２のＢ−Ｂ線断面図、（ｂ）は図２のＡ−Ａ線断面図。 トルクセンサの電気的な構成を示すブロック図。 （ａ）は第１の磁石の磁界変化に対する一の磁気センサの出力波形図、（ｂ）は第２の磁石の磁界変化に対する一の磁気センサの出力波形図、（ｃ）は第１および第２の磁石の磁界の合成磁界に対する一の磁気センサの出力波形図。 入力軸および出力軸の回転角の算出処理手順を示すフローチャート。

以下、本発明を、電動パワーステアリング装置に具体化した一実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
＜電動パワーステアリング装置の概要＞
図１に示すように、電動パワーステアリング装置１において、ハンドル２（ステアリングホイール）と一体回転するステアリングシャフト３は、ハンドル２側からコラムシャフト８、インターミディエイトシャフト９及びピニオンシャフト１０の順に連結されてなる。ピニオンシャフト１０はこれに直交して設けられるラック軸５のラック部分５ａに噛合されている。ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ピニオンシャフト１０及びラック部分５ａからなるラックアンドピニオン機構４によりラック軸５の往復直線運動に変換される。当該往復直線運動が、ラック軸５の両端に連結されたタイロッド１１を介して図示しないナックルアームに伝達されることにより、転舵輪１２の舵角が変更される。

また、電動パワーステアリング装置１は、操舵系にステアリング操作を補助するためのアシスト力を付与する操舵力補助装置（パワーアシストユニット）１３、及び操舵力補助装置１３の作動を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）１４を備えてなる。

操舵力補助装置１３の駆動源であるモータ１５は、ウォーム１６及びウォームホイール１７からなる減速機構１８を介してコラムシャフト８に作動連結されている。モータ１５の回転力は減速機構１８により減速されて、この減速された回転力がアシスト力として操舵系、正確にはコラムシャフト８に伝達される。電子制御装置１４は、このアシスト力を次のようにして制御する。すなわち、電子制御装置１４は、転舵輪１２等に設けられる車速センサ１９を通じて車速Ｖを、またコラムシャフト８に設けられるトルクセンサ７を通じてハンドル２に印加される操舵トルクτを取得する。そして電子制御装置１４は、これら車速Ｖ及び操舵トルクτに基づき運転者の要求および走行状態に応じた目標アシスト力を算出し、この算出される目標アシスト力を発生させるべくモータ１５の給電制御を行う。このモータ１５の給電制御を通じて操舵系に印加されるアシスト力が制御される。

＜トルクセンサ＞
つぎに、トルクセンサの構成について詳細に説明する。図１に示されるように、トルクセンサ７は、コラムシャフト８におけるハンドル２と操舵力補助装置１３との間に設けられている。図２に示すように、トルクセンサ７は、入力軸２１、出力軸２２、およびこれらの間を連結するトーションバー２３を備えてなる。入力軸２１は、コラムシャフト８のハンドル２側の部分に、出力軸２２はコラムシャフト８の操舵力補助装置１３側の部分に連結される。入力軸２１および出力軸２２の互いに対向する２つの端部には、それぞれ円筒状の第１および第２の支持部２１ａ，２２ａが形成されている。これら第１および第２の支持部２１ａ，２２ａの外径は、それぞれ入力軸２１および出力軸２２の外径よりも大きく設定されている。

また、入力軸２１および出力軸２２の間には、回転角センサ２４が設けられている。回転角センサ２４は、第１の磁石３１、第２の磁石３２、および４つの磁気センサ３３（３３ａ〜３３ｄ）を備えてなる。

第１および第２の磁石３１，３２は、それぞれ両端が開口した円筒状に形成されるとともに、それらの周方向に沿って極性の異なる複数の磁極（Ｎ極およびＳ極）が交互に形成された多極磁石として形成されている。図３（ａ）に示されるように、正極および負極を１組としたとき、第１の磁石３１には４組の磁極（合計８極）が、同じく図３（ｂ）に示されるように、第２の磁石３２には５組（合計１０極）の磁極が形成されている。第１の磁石３１は、トーションバー２３に挿通された状態で、第１の支持部２１ａの入力軸２１と反対側の側面に固定されている。第２の磁石３２は、トーションバー２３に挿通された状態で、第２の支持部２２ａの出力軸２２と反対側の側面に固定されている。

そして第１および第２の磁石３１，３２の間には、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄが配設されている。第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄは、同一の平面上に設けられている。また、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄと第１の磁石３１との間の距離、ならびに第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄと第２の磁石３２との間の距離は、それぞれ同じとされている。なお、これら距離は、入力軸２１および出力軸２２の中心軸に沿う方向における第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄの中心から、第１および第２の磁石３２，３３の対向面までの距離である（図２参照）。

図３（ａ），（ｂ）に示されるように、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄは、第１および第２の磁石３１，３２の円周方向に沿って設けられている。また、第１および第３の磁気センサ３３ａ，３３ｃ、ならびに第２および第４の磁気センサ３３ｂ，３３ｄは、それぞれ互いに１８０°だけ配置をずらして設けられている。詳述すると、図３（ｂ）に示すように、入力軸２１側から第２の磁石３２を見たとき、第１の磁気センサ３３ａは、第２の磁石３２の１２時位置に対応して設けられている。第２の磁気センサ３３ｂは、第２の磁石３２の１２時位置を０°としたとき、２２．５°の位置に対応して設けられている。同様に、第３の磁気センサ３３ｃは１８０°の位置、第４の磁気センサ３３ｄは２０２．５°の位置にそれぞれ対応して設けられている。

＜電気的な構成＞
つぎに、トルクセンサの電気的な構成を説明する。図４に示すように、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄは、マイクロコンピュータ３４に接続されている。

本例では、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄとしてホールセンサが採用されている。ホールセンサは、ホール素子および信号処理回路などが単一のＩＣチップに集積化されてなるものであって、その感磁面に対して直交する方向の磁界を検出する。各種のホールセンサの中でも、いわゆる交番磁界検出タイプのものが好適である。当該タイプのホールセンサは、Ｓ極からＮ極、あるいはＮ極からＳ極への磁界の変化（交番磁界）を検出するとともに、Ｎ極の磁界が印加されたときには正（＋）の電気信号を、Ｓ極の磁界が印加されたときには負（−）の電気信号を生成する。また、ホールセンサの出力は磁界の強さ、すなわち磁束密度の大きさに比例する。

ホールセンサが異なる極性（Ｎ極およびＳ極）の境界に対応して位置するとき、感磁面に直交する磁束密度は最も小さくなる。また、当該センサが磁極の中央に対応して位置するとき、感磁面に直交する磁束密度は最も大きくなる。また、当該センサに対応する磁極がＳ極からＮ極、あるいはＮ極からＳ極へ変位する過程においては、感磁面に直交する磁束密度は徐々に減少して磁極の境界において最も少なくなり、当該境界を越えるにつれて徐々に増大して磁極の中央において最も多くなる。すなわちこの場合、当該センサには正弦波状に変化する磁界が印加される。

第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄは、自身に印加される磁界の変化に応じた電気信号を生成する。
例えば、第１の磁気センサ３３ａに第１の磁石３１からの磁界のみが印加される場合を想定する。この場合、第１の磁気センサ３３ａには、第１の磁石３１の回転に伴いＮ極およびＳ極の磁界が交互に印加される。第１の磁気センサ３３ａは、第１の磁石３１から発せられる磁界の変化に応じた電気信号を生成する。この場合、入力軸２１の回転角度（機械角）と、第１の磁気センサ３３ａの出力との関係は、図５（ａ）のグラフのようになる。当該グラフの横軸は入力軸２１の回転角、同じく縦軸は第１の磁気センサ３３ａの出力（電圧値）である。当該グラフに示されるように、入力軸２１の回転に伴い、第１の磁気センサ３３ａにおいて生成される電気信号は正弦波状に変化する。本例では、入力軸２１が１回転する間に、第１の磁気センサ３３ａでは４周期分の電気信号が生成される。すなわち、入力軸２１の回転角（機械角）に対する当該電気信号の電気角の比である軸倍角は４倍角（４Ｘ）とされている。軸倍角は、第１の磁石３１の磁極数により決まる。磁極数の１／２が軸倍角に相当する。

また、第１の磁気センサ３３ａに第２の磁石３２からの磁界のみが印加される場合を想定する。この場合、第１の磁気センサ３３ａには、第２の磁石３２の回転に伴いＮ極およびＳ極の磁界が交互に印加される。第１の磁気センサ３３ａは、第２の磁石３２から発せられる磁界の変化に応じた電気信号を生成する。この場合、出力軸２２の回転角度（機械角）と、第１の磁気センサ３３ａの出力との関係は、図５（ｂ）のグラフのようになる。

当該グラフに示されるように、出力軸２２の回転に伴い、第１の磁気センサ３３ａにおいて生成される電気信号は正弦波状に変化する。本例では、出力軸２２が１回転する間に、第１の磁気センサ３３ａでは５周期分の電気信号が生成される。すなわち、軸倍角は５倍角（５Ｘ）とされている。

なお、第２〜第４の磁気センサ３３ｂ〜３３ｄについても同様である。これら第２〜第４の磁気センサ３３ｂ〜３３ｄでは、第１の磁気センサ３３ａに対する相対的な位置関係に応じて位相がずれた正弦波状の電気信号が生成される。第１の磁気センサ３３ａの位相を０°としたとき、第２〜第４の磁気センサ３３ｂ〜３３ｄの出力波形は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示される第１の磁気センサ３３ａの出力波形に対して、それぞれ２２．５°、１８０°、２０２．５°だけ位相がずれた波形となる。

前述したように、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄは、第１および第２の磁石３１，３２の間に設けられている。また入力軸２１および出力軸２２の回転角も互いに異なる。このため実際には、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄには、第１および第２の磁石３１，３２からそれぞれ発せられる磁界が互いに干渉し合ってなる合成磁界が印加される。第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄは、当該合成磁界に応じた電気信号を生成する。

すなわち、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号は、それぞれ第１の磁石３１から発せられる磁界に応じて生成される電気信号（以下、「４倍角成分（第１の信号成分）」という。）と、第２の磁石３２から発せられる磁界に応じて生成される電気信号（以下、「５倍角成分（第２の信号成分）」という。）とが合成されたものとなる。第１の磁気センサ３３ａを例に挙げると、入力軸２１あるいは出力軸２２の回転角（機械角）と、第１の磁気センサ３３ａの出力との関係は、実際には、図５（ｃ）のグラフのようになる。当該グラフに示されるように、入力軸２１あるいは出力軸２２の回転に伴い、第１の磁気センサ３３ａにおいて生成される電気信号は、正弦波状に変化する部分も見られるものの、全体としては不規則な曲線を描くように変化する。第２〜第４の磁気センサ３３ｂ〜３３ｄにおいても同様である。

マイクロコンピュータ３４は、回転角検出部３５、操舵トルク検出部３６および異常判定部３７を備えてなる。回転角検出部３５は、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号に基づき、入力軸２１および出力軸２２の回転角θ１，θ２をそれぞれ演算する。これら２つの回転角θ１，θ２の算出処理については、後に詳述する。操舵トルク検出部３６は、回転角検出部３５により算出される２つの回転角θ１，θ２の差分、すなわちトーションバー２３のねじれ角に基づき操舵トルクτを演算する。異常判定部３７は、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号に基づき、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄの異常の有無を検出する。第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄの異常検出処理についても、後に詳述する。

＜θ１，θ２演算処理＞
つぎに、前述のように構成されたトルクセンサ７による入力軸２１および出力軸２２の回転角の検出処理手順を図６のフローチャートに従って説明する。このフローチャートは、マイクロコンピュータ３４に記憶された制御プログラムに基づき、定められた制御周期で実行される。

マイクロコンピュータ３４は、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号Ｓ１〜Ｓ４を取り込む（ステップＳ１０１）。
これら電気信号Ｓ１〜Ｓ４の値、すなわちサンプリング値Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ次式（Ａ）〜（Ｄ）のように表すことができる。

Ｖ１＝ｓｉｎ（４θ１）＋ｓｉｎ（５θ２） …（Ａ）
Ｖ２＝ｓｉｎ４（θ１＋２２．５°）＋ｓｉｎ５（θ２＋２２．５°）
＝ｓｉｎ（４θ１＋９０°）＋ｓｉｎ（５θ２＋１１２．５°）
＝ｃｏｓ（４θ１）＋ｓｉｎ（５θ２＋１１２．５°） …（Ｂ）
Ｖ３＝ｓｉｎ４（θ１＋１８０°）＋ｓｉｎ５（θ２＋１８０°）
＝ｓｉｎ（４θ１＋７２０°）＋ｓｉｎ（５θ２＋９００°）
＝ｓｉｎ（４θ１）−ｓｉｎ（５θ２） …（Ｃ）
Ｖ４＝ｓｉｎ４（θ１＋２０２．５°）＋ｓｉｎ５（θ２＋２０２．５°）
＝ｓｉｎ（４θ１＋８１０°）＋ｓｉｎ（５θ２＋１０１２．５°）
＝ｓｉｎ（４θ１＋９０°）＋ｓｉｎ（５θ２＋２９２．５°）
＝ｃｏｓ（４θ１）−ｓｉｎ（５θ２＋１１２．５°） …（Ｄ）
ただし、θ１は入力軸２１の回転角（機械角）、θ２は出力軸２２の回転角（機械角）、４θ１は入力軸２１の回転角（電気角）、５θ２は出力軸２２の回転角（電気角）である。

＜４倍角成分の抽出処理＞
つぎにマイクロコンピュータ３４は、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号から、第１の信号成分である４倍角成分（４θ１が含まれる項）を第１の磁石３１の磁極数に応じた軸倍角を有する入力軸２１の電気角として抽出する。

マイクロコンピュータ３４はまず、サンプリング値Ｖ１〜Ｖ４に含まれる５倍角成分（５θ２が含まれる項）を除去する。すなわち、マイクロコンピュータ３４は、次式（Ｅ）で示されるように、第１および第３の磁気センサ３３ａ，３３ｃにおいて生成される電気信号Ｓ１，Ｓ３のサンプリング値Ｖ１，Ｖ３の平均値を算出する（ステップＳ１０２）。

（Ｖ１＋Ｖ３）／２
＝[{ｓｉｎ（４θ１）＋ｓｉｎ（５θ２）}＋{ｓｉｎ（４θ１）−ｓｉｎ（５θ２）}]／２
＝ｓｉｎ（４θ１） …（Ｅ）
また、マイクロコンピュータ３４は、次式（Ｆ）で示されるように、第２および第４の磁気センサ３３ｂ，３３ｄにおいて生成される電気信号Ｓ２，Ｓ４のサンプリング値Ｖ２，Ｖ４の平均値を算出する（ステップＳ１０３）。

（Ｖ２＋Ｖ４）／２
＝[{ｃｏｓ（４θ１）＋ｓｉｎ（５θ２＋１１２．５°）}＋{ｃｏｓ（４θ１）−ｓｉｎ（５θ２＋１１２．５°）}]／２
＝ｃｏｓ（４θ１） …（Ｆ）
つぎに、マイクロコンピュータ３４は、ステップＳ１０２およびステップＳ１０３の演算結果を使用して、入力軸２１の回転角（電気角）４θ１を次式（Ｇ）に基づき演算する（ステップＳ１０４）。

４θ１
＝ａｒｃｔａｎ{ｓｉｎ（４θ１）／ｃｏｓ（４θ１）}
＝ａｒｃｔａｎ[{（Ｖ１＋Ｖ３）／２}／{（Ｖ２＋Ｖ４）／２}] …（Ｇ）
＜５倍角成分の抽出処理＞
つぎにマイクロコンピュータ３４は、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号から、第２の信号成分である５倍角成分（５θ２が含まれる項）を第２の磁石３２の磁極数に応じた軸倍角を有する出力軸２２の電気角として抽出する。

マイクロコンピュータ３４はまず、サンプリング値Ｖ１〜Ｖ４に含まれる４倍角成分（４θ１が含まれる項）を除去する。すなわち、マイクロコンピュータ３４は、次式（Ｈ）で示されるように、第１および第３の磁気センサ３３ａ，３３ｃにおいて生成される電気信号Ｓ１，Ｓ３のサンプリング値Ｖ１，Ｖ３の差を求め、その差の値を２で割る（ステップＳ１０５）。

（Ｖ１−Ｖ３）／２
＝[{ｓｉｎ（４θ１）＋ｓｉｎ（５θ２）}−{ｓｉｎ（４θ１）−ｓｉｎ（５θ２）}]／２
＝ｓｉｎ（５θ２） …（Ｈ）
また、マイクロコンピュータ３４は、次式（Ｉ）で示されるように、第２および第４の磁気センサ３３ｂ，３３ｄにおいて生成される電気信号Ｓ２，Ｓ４のサンプリング値Ｖ２，Ｖ４の差を求め、その差の値を２で割る（ステップＳ１０６）。

（Ｖ２−Ｖ４）／２
＝[{ｃｏｓ（４θ１）＋ｓｉｎ（５θ２＋１１２．５°）}−{ｃｏｓ（４θ１）−ｓｉｎ（５θ２＋１１２．５°）}]／２
＝ｓｉｎ（５θ２＋１１２．５°） …（Ｉ）
つぎに、マイクロコンピュータ３４は、ステップＳ１０５およびステップＳ１０６の演算結果を使用して、出力軸２２の回転角（電気角）５θ２を次式（Ｊ）に基づき演算する（ステップＳ１０７）。

５θ２＝ａｒｃｔａｎ{ｓｉｎ（５θ２）／ｃｏｓ（５θ２）} …（Ｊ）
ただし、式（Ｊ）のｃｏｓ（５θ２）は、次式（Ｋ）で示されるように、先の式（Ｉ）を変形することにより得られる。

ｓｉｎ（５θ２＋１１２．５°）
＝ｓｉｎ（５θ２）ｃｏｓ（１１２．５°）＋ｃｏｓ（５θ２）ｓｉｎ（１１２．５°） …（Ｋ）
そして、式（Ｋ）に基づき、ｃｏｓ（５θ２）は次式（Ｌ）で表される。

ｃｏｓ（５θ２）＝{ｓｉｎ（５θ２＋１１２．５°）−ｓｉｎ（５θ２）ｃｏｓ（１１２．５°）}／ｓｉｎ（１１２．５°） …（Ｌ）
＜機械角の算出処理＞
つぎに、マイクロコンピュータ３４は、入力軸２１の回転角４θ１（電気角）、および出力軸２２の回転角５θ２（電気角）を使用して、入力軸２１の回転角θ１（機械角）および出力軸２２の回転角θ２（機械角）を演算する（ステップＳ１０８）。

ここで、入力軸２１および出力軸２２の電気角は、それぞれの軸倍角に応じた複数の機械角に対応する。
すなわち、軸倍角が４倍である電気角に対応する機械角は、つぎの４つである。ただし、α＝４θ１である。

θ１＝（α／４）＋０°、（α／４）＋９０°、（α／４）＋１８０°、（α／４）＋２７０°
また、軸倍角が５倍である電気角に対応する機械角は、つぎの５つである。ただし、β＝５θ２である。

θ２＝（β／５）＋０°、（β／５）＋７２°、（β／５）＋１４４°、（β／５）＋２１６°、（β／５）＋２８８°
そこで、マイクロコンピュータ３４は、入力軸２１および出力軸２２の回転角θ１，θ２（機械角）は、トーションバー２３の最大許容ねじれ角Δθの範囲内に制限されることを利用して、２つの回転角θ１，θ２（機械角）を求める。すなわち、入力軸２１および出力軸２２の回転角の差分（絶対値）が最大許容ねじれ角Δθを超えることはない。このため、入力軸２１および出力軸２２の差分とトーションバー２３の最大許容ねじれ角Δθとの比較を通じて、入力軸２１および出力軸２２の回転角θ１，θ２をそれぞれ算出することが可能である。

マイクロコンピュータ３４は、次式（Ｍ）に基づき回転角θ１，θ２（機械角）を検出する。すなわち、次式（Ｍ）を満たす回転角θ１，θ２をその時々の回転角θ１，θ２（機械角）と推定する。

│θ１−θ２│≦Δθ …（Ｍ）
以上で、入力軸２１の回転角θ１、および出力軸２２の回転角θ２の算出処理は完了となる。マイクロコンピュータ３４は、算出される２つの回転角θ１，θ２の差分に基づき操舵トルクτを演算する。

＜異常判定処理＞
つぎに、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄの異常検出処理について説明する。
第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄの少なくとも一に異常が発生した場合、その異常が発生した磁気センサにおいて生成される電気信号の値（サンプリング値Ｖ１〜Ｖ４）は、正常時の値と異なる。このため、先の図６のフローチャートにおけるステップＳ１０４で算出される回転角４θ１（電気角）、およびステップＳ１０７で算出される回転角５θ２（電気角）についても、それぞれ正常時の値と異なる。このことを利用して、マイクロコンピュータ３４（異常判定部３７）は、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄの異常の有無を検出する。

すなわち、マイクロコンピュータ３４は、回転角４θ１（＝α），５θ２（＝β）を、先の式（Ａ）〜（Ｄ）に代入することにより得られるサンプリング値Ｖ１ｃ〜Ｖ４ｃと、正常時のサンプリング値Ｖ１〜Ｖ４（理論値）と比較する。マイクロコンピュータ３４は、各サンプリング値Ｖ１ｃ〜Ｖ４ｃと各サンプリング値Ｖ１〜Ｖ４とが一致する旨判断されるときには正常、一致しない旨判断されるときには異常である旨判定する。なお、正常時のサンプリング値Ｖ１〜Ｖ４（理論値）は、マイクロコンピュータ３４に予め記憶される。

マイクロコンピュータ３４は、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄの少なくとも一に異常がある旨判定したときには、たとえば入力軸２１および出力軸２２の回転角の算出処理、あるいは操舵トルクτの算出処理を停止する。なお、ｓｉｎ^２θ＋ｃｏｓ^２θ＝１であることを利用して、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄの異常の有無を判定することも可能である。

＜実施の形態の効果＞
したがって、本実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）第１および第２の磁石３１，３２の間に第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄを配設し、これら第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号Ｓ１〜Ｓ４を共用して第１および第２の磁石３１，３２、ひいては入力軸２１および出力軸２２の回転角θ１，θ２を求めるようにした。第１および第２の磁石３１，３２は、それぞれから発せられる磁界が第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄに印加される程度に近接させる必要がある。このため、第１および第２の磁石３１，３２の間隔を小さく設定することができる。その間隔を小さくする分だけ、トルクセンサ７の体格の小型化が図られる。

（２）また、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号に基づきトーションバー２３のねじれ角を算出するところ、第１および第２の磁石３１，３２の間隔は、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄに干渉しない範囲において、小さく設定するほどよい。第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄに印加される磁束密度が増大するからである。すなわち、トルクセンサ７の体格の小型化が、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄの検出精度の維持あるいは向上につながる。

（３）第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄには、第１の磁石３１から発せられる磁界と、第２の磁石３２から発せられる磁界とが合成された磁界が印加される。このため、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号は、第１の磁石３１から発せられる磁界変化に基づく第１の信号成分（４倍角成分）、および第２の磁石３２から発せられる磁界変化に基づく第２の信号成分（５倍角成分）が合成されたものとなる。

本例によれば、第１の抽出手段として機能するマイクロコンピュータ３４により、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄの電気信号から、第１の信号成分を第１の磁石３１の磁極数に応じた軸倍角を有する入力軸２１の電気角として抽出する。また、第２の抽出手段としても機能するマイクロコンピュータ３４により、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄの電気信号から、第２の信号成分を第２の磁石３２の磁極数に応じた軸倍角を有する出力軸の電気角として抽出する。

ここで、入力軸２１および出力軸２２の電気角は、それぞれの軸倍角に応じた複数の機械角に対応する。そこで、機械角算出手段としても機能するマイクロコンピュータ３４は、入力軸２１および出力軸２２の回転角（機械角）はトーションバー２３の最大許容ねじれ角によって制限されることを利用して、入力軸２１および出力軸２２の回転角を求める。すなわち、入力軸２１および出力軸２２の回転角の差分（絶対値）が最大許容ねじれ角を超えることはない。このため、入力軸２１および出力軸２２の電気角に対応する複数の回転角θ１，θ２（機械角）の差分とトーションバー２３の最大許容ねじれ角Δθとの大小を比較することにより、入力軸２１および出力軸２２の回転角をそれぞれ算出することが可能である。

（４）本例のトルクセンサ７によれば、その体格の小型化が図られる。このため、当該トルクセンサ７は、車両への搭載性の観点などから小型化に対する要望がある電動パワーステアリング装置１に好適である。電動パワーステアリング装置１の体格の小型化も可能となる。

（５）第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号に基づき、入力軸２１および出力軸２２の回転角をそれぞれ検出することができる。このため、入力軸２１および出力軸２２にそれぞれ個別に磁気センサ群を設ける場合に比べて、磁気センサの個数を低減させることが可能となる。特に、異常検出機能を持たせる場合には有効である。たとえば特許文献１を例に挙げると、第１および第２の軸にそれぞれ３つ（合計６つ）の磁気センサを設ける必要がある。本例では、４つの磁気センサを設けるだけでよい。

（６）入力軸２１の回転角θ１をハンドル２の操舵角θｓとして求めることができる。このトルクセンサ７により算出される操舵角θｓを、車両の安定性制御システムなどの各種システムで利用することにより、専用の舵角センサが不要となる。トルクセンサ７、ひいては電動パワーステアリング装置１の付加価値も高められる。

（７）出力軸２２の回転角θ２に基づき、モータ１５の回転角速度ωを求めることができる。そして、この回転角速度ωをモータ１５の制御に利用することも可能である。たとえば、モータ１５としてブラシ付きモータを使用する場合、電子制御装置１４はトルクセンサ７を通じてモータの回転角速度ωを正確に把握することができるので、当該モータのより精度の高い制御を実行可能となる。

＜他の実施の形態＞
なお、前記実施の形態は、次のように変更して実施してもよい。
・本例では、第１および第２の磁石３１，３２を、それぞれ入力軸２１および出力軸の先端面に設けたが、先端の外周面に嵌合するなどしてもよい。この場合であれ、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄは第１および第２の磁石３１，３２の間に配設する。

・本例では、トルクセンサ７をいわゆるコラム型の電動パワーステアリング装置に適用したが、いわゆるピニオン型あるいはラックアシスト型のものに適用することも可能である。

・本例では、電子制御装置１４は、操舵トルクτおよび車速Ｖに基づき目標アシスト力（正確には、目標アシスト力に応じた電流指令値）を算出するようにしたが、当該算出のパラメータとして操舵角θｓを加えてもよい。運転者の要求をより反映させた目標アシスト力の算出が可能になる。操舵角θｓは、前述したように入力軸２１の回転角θ１に基づき算出可能である。

・本例では、第１および第２の磁石３１，３２と、同一平面上に配設された第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄとの距離をそれぞれ同じ程度としたが、当該距離を異ならせてもよい。このようにしても、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄにおいて生成される電気信号に基づき、操舵トルクτなどを算出可能である。

・本例では、第１〜第４の磁気センサ３３ａ〜３３ｄを設けたが、５つ以上の磁気センサを設けてもよい。たとえば、５つの磁気センサのうち任意の４つの磁気センサにおいて生成される電気信号に基づき、入力軸２１および出力軸２２の回転角、ならびに入力軸２１に印加されるトルクの検出が可能である。５つの磁気センサのうちいずれか一の磁気センサに異常が発生した場合であれ、残りの４つの磁気センサを使用して、操舵トルクτなどを算出可能である。またこの場合、各磁気センサを第１の磁石３１あるいは第２の磁石３２の回転方向に沿って等間隔に配設してもよい。６つ以上の磁気センサを設ける場合も同様である。

・第１および第２の磁石３１，３２の磁極数は、適宜変更してもよい。ただし、互いの磁極数は異ならせる。
・本例では、電動パワーステアリング装置１のトルクセンサ７を例に挙げて説明したが、当該トルクセンサ７は、電動パワーステアリング装置以外の用に供することも可能である。

＜他の技術的思想＞
次に、前記実施の形態から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ）請求項２に記載のトルク検出装置において、前記４つの磁気センサは、前記第１および第２の磁石の円周方向に沿って、かつ第１および第３の磁気センサ、ならびに第２および第４の磁気センサは、それぞれ互いに１８０°だけ配置をずらして設け、前記第１の抽出手段は、第１および第３の磁気センサにより生成される２つの電気信号の加算値を当該２つの電気信号を生成した磁気センサの個数である２で除算することにより前記電気信号から前記第２の信号成分が除去された第１の抽出信号を生成するとともに、第２および第４の磁気センサにより生成される２つの電気信号の加算値を当該２つの電気信号を生成した磁気センサの個数である２で除算することにより前記電気信号から前記第２の信号成分が除去された第２の抽出信号を生成し、前記第１および第２の抽出信号の逆正接値を前記第１の軸の電気角として算出し、前記第２の抽出手段は、第１および第３の磁気センサにより生成される２つの電気信号の減算値を当該２つの電気信号を生成した磁気センサの個数である２で除算することにより前記第１の信号成分が除去された第３の抽出信号を生成するとともに、第２および第４の磁気センサにより生成される２つの電気信号の減算値を当該２つの電気信号を生成した磁気センサの個数である２で除算することにより前記電気信号から前記第１の信号成分が除去された第４の抽出信号を生成し、前記第３および第４の抽出信号の逆正接値を前記第２の軸の電気角として算出するトルク検出装置。なお、先のステップＳ１０２，Ｓ１０３の演算結果は、それぞれ第１および第２の抽出信号に相当する。また、先のステップＳ１０５，Ｓ１０６の演算結果は、それぞれ第３および第４の抽出信号に相当する。

１…電動パワーステアリング装置、７…トルクセンサ（トルク検出装置）、２１…入力軸（第１の軸）、２２…出力軸（第２の軸）、２３…トーションバー、３１…第１の磁石、３２…第２の磁石、３３ａ〜３３ｄ…第１〜第４の磁気センサ、３４…マイクロコンピュータ（演算手段）。

Claims (3)

1. トーションバーの両端に連結された第１および第２の軸の間に作用するトルクを検出するトルク検出装置において、
   前記第１の軸に固定されてその回転方向において多極着磁されてなる第１の磁石と、
   前記第２の軸に固定されてその回転方向において前記第１の磁石と異なる磁極数に多極着磁されてなる第２の磁石と、
   前記第１および第２の磁石の間に配設されてこれら磁石の回転に伴う磁界変化に応じて位相の異なる電気信号を生成する４つの磁気センサと、
   前記４つの磁気センサにおいて生成される電気信号に基づき前記第１の軸および第２の軸の回転角の差分を前記トーションバーのねじれ角として算出し、当該ねじれ角に基づきトルクを算出する演算手段と、を備えてなるトルク検出装置。
2. 請求項１に記載のトルク検出装置において、
   前記電気信号は、前記第１の磁石から発せられる磁界変化に基づく第１の信号成分、および前記第２の磁石から発せられる磁界変化に基づく第２の信号成分が合成されたものであって、
   前記演算手段は、前記電気信号から前記第１の信号成分を前記第１の磁石の磁極数に応じた軸倍角を有する前記第１の軸の電気角として抽出する第１の抽出手段と、
   前記電気信号から前記第２の信号成分を前記第２の磁石の磁極数に応じた軸倍角を有する前記第２の軸の電気角として抽出する第２の抽出手段と、
   前記第１の抽出手段により抽出される前記第１の軸の電気角に対応する複数の機械角、および前記第２の抽出手段により抽出される前記第２の軸の電気角に対応する複数の機械角の差分をそれぞれ求めるとともに、これら差分と前記トーションバーの最大許容ねじれ角との比較を通じて前記第１の軸および前記第２の軸の機械角をそれぞれ算出する機械角算出手段と、を備えてなるトルク検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のトルク検出装置を備えてなる電動パワーステアリング装置。

Images