JP2012163493A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク検出装置における第１軸の軸方向と直交する方向の大きさを低減化できるトルク検出装置を提供する。
【解決手段】トルクセンサ２０は、入力軸９に一体回転可能に連結された環状の第１の磁石４１と、出力軸１０に一体回転可能に連結されかつ第１の磁石４１に対向する環状の第２の磁石４２と、両磁石４１，４２の間に配置されかつ第１の磁石４１に対向する第１の磁気センサ４３Ａおよび第２の磁気センサ４３Ｂと、両磁石４１，４２の間に配置されかつ第２の磁石４１に対向する第３の磁気センサ４４Ａおよび第４の磁気センサ４４Ｂとを含んでいる。第３の磁気センサ４４Ａは、第１の磁石４１における第１の磁気センサ４３Ａが対向する位置と第１の磁気センサ４３Ａとを結ぶ線の延長線上に配置されており、第４の磁気センサ４４Ｂは、第１の磁石４１における第２の磁気センサ４３Ｂが対向する位置と第２の磁気センサ４３Ｂとを結ぶ線の延長線上に配置されている。
【選択図】図４

Description

この発明は、トルク検出装置に関する。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ：Electric Power Steering System）などに使用されるトルク検出装置は、入力軸と出力軸とを連結するトーションバーの捩れ角を検出することにより、入力軸に加えられたトルクを演算する構成となっている。
この種のトルク検出装置として、下記特許文献１に開示されたものが既に提案されている。具体的には、入力軸（第１軸）と出力軸（第２軸）とがトーションバー（連結軸）を介して同軸に連結されている。入力軸には、複数の磁極を有する円筒状の永久磁石が固定されている。出力軸には、前記永久磁石を囲む２つの環状の磁気ヨークが固定されている。各磁気ヨークの周囲には、各磁気ヨークからの磁束をそれぞれ誘導するとともに、誘導した磁束を集めるための集磁部を有する２つの集磁リングが配置されている。また、各集磁部に集められた磁束をそれぞれ検出するための２つの磁束検出器が設けられている。そして、各磁束検出器の出力信号に基づいて、入力軸に加えられたトルクが演算される。

特開2005-265593号公報 特開2005-77305公報

前述したような従来のトルク検出装置では、入力軸に固定された筒状の永久磁石の周囲に、永久磁石を囲む２つの環状の磁気ヨークを配置する必要がある。また、各磁気ヨークの周囲に、集磁リングをそれぞれ配置する必要がある。このため、トルク検出装置における入力軸の軸方向と直交する方向の大きさが大きくなるという問題がある。
この発明の目的は、トルク検出装置における第１軸の軸方向と直交する方向の大きさを低減化できるトルク検出装置を提供することである。

この発明の他の目的は、トルク検出装置における第１軸の軸方向と直交する方向の大きさを低減化できるとともにトルク検出装置における第１軸の軸方向の大きさも低減できるトルク検出装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、第１軸（９）と第２軸（１０）とを連結する連結軸（１１）を含み、前記連結軸の捩れに起因する前記第１軸と前記第２軸の相対的回転変位量に基づいて、前記第１軸に加えられたトルクを検出するトルク検出装置（２０，１２）であって、前記第１軸に一体回転可能に連結された環状の第１の磁石（４１）と、前記第２軸に一体回転可能に連結されかつ前記第１の磁石と対向する環状の第２の磁石（４２）と、前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に前記第１の磁石と対向して配置され、前記第１の磁石からの磁束と前記第２の磁石からの磁束との和に応じた第１および第２の出力信号（Ｖ１，Ｖ２）をそれぞれ出力する第１および第２の磁気センサ（４３Ａ，４３Ｂ）と、前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に前記第２の磁石に対向して配置され、前記第２の磁石からの磁束と前記第１の磁石からの磁束との和に応じた第３および第４の出力信号（Ｖ３，Ｖ４）をそれぞれ出力する第３および第４の磁気センサ（４４Ａ，４４Ｂ）とを含み、前記第３の磁気センサは、前記第１の磁石における前記第１の磁気センサが対向する位置と前記第１の磁気センサとを結ぶ線の延長線上に配置されており、前記第４の磁気センサは、前記第１の磁石における前記第２の磁気センサが対向する位置と前記第２の磁気センサとを結ぶ線の延長線上に配置されており、前記第１の出力信号と前記第３の出力信号とに基づいて、前記第１の出力信号から前記第２の磁石からの磁束の影響が除去された第１の信号成分（sinθ１）を演算するとともに、前記第３の出力信号から前記第１の磁石からの磁束の影響が除去された第３の信号成分（sinθ２）を演算する手段（１２）と、前記第２の出力信号と前記第４の出力信号とに基づいて、前記第２の出力信号から前記第２の磁石からの磁束の影響が除去された第２の信号成分（cosθ１）を演算するとともに、前記第４の出力信号から前記第１の磁石からの磁束の影響が除去された第４の信号成分（cosθ２）を演算する手段（１２）と、前記第１〜第４の信号成分を用いて、前記第１軸に加えられたトルクを演算するトルク演算手段（１２）とをさらに含む、トルク検出装置である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。

この構成では、第１の出力信号と第３の出力信号とに基づいて、第１の出力信号から第２の磁石からの磁束の影響が除去された第１の信号成分（sinθ１）が演算されるとともに、第３の出力信号から第１の磁石からの磁束の影響が除去された第３の信号成分（sinθ２）が演算される。また、第２の出力信号と第４の出力信号とに基づいて、第２の出力信号から第２の磁石からの磁束の影響が除去された第２の信号成分（cosθ１）が演算されるとともに、第４の出力信号から第１の磁石からの磁束の影響が除去された第４の信号成分（cosθ２）が演算される。そして、第１〜第４の信号成分を用いて、第１軸に加えられたトルクが演算される。

この構成によれば、第１の磁石と第２の磁石との間に、第１の磁石と対向して第１および第２の磁気センサが配置されているとともに、第２の磁石に対向して第３および第４の磁気センサが配置されているから、トルク検出装置における第１軸の軸方向に直交する方向の大きさを低減できる。
ところで、第２の磁石からの磁束を第１の磁気遮断部材を用いて遮断し、第１の磁石からの磁束のみを検出できる２つの磁気センサを設けるとともに、第１の磁石からの磁束を第２の磁気遮断部材を用いて遮断し、第２の磁石からの磁束のみを検出できる２つの磁気センサを設け、各磁気センサの出力信号に基づいて、第１軸に加えられたトルクを演算することが考えられる。しかしながら、このような構成では、２つの磁気遮断部材が必要となるため、構成が複雑となるとともに、トルク検出装置における入力軸の軸方向の大きさが大きくなる。

この発明によれば、磁気遮断部材が不要であるため、構成が簡単になるとともに、トルク検出装置における第１軸の軸方向の大きさを小さくすることができる。
請求項２記載の発明は、前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に、前記第１の磁石に対向する第１の面と前記第２の磁石に対向する第２の面とを有するセンサ取付用基板（４７）が配置されており、前記センサ取付用基板における前記第１の面に、前記第１および第２の磁気センサが取り付けられており、前記センサ取付用基板における前記第２の面に、前記第３および第４の磁気センサが取り付けられている、請求項１に記載のトルク検出装置である。

この構成では、センサ取付用基板の一方の面に第１軸回転角検出用の磁気センサが取り付けられ、他方の面に第２軸回転角検出用の磁気センサが取り付けられているから、磁気センサを取り付けるための基板が１枚で済む。これにより、コストを低減化することができる。
請求項３記載の発明は、前記トルク演算手段は、前記第１の信号成分および前記第２の信号成分から演算される前記第１軸の回転角（θ１）と、前記第３の信号成分および前記第４の信号成分から演算される前記第２軸の回転角（θ２）と、前記連結軸のバネ定数（Ｋ）とを用いて、前記第１軸に加えられたトルク（Ｔ）を演算するように構成されている、請求項１または２に記載のトルク検出装置である。

この構成では、第１の信号成分および第２の信号成分から演算される第１軸の回転角（θ１）と第３の信号成分および第４の信号成分から演算される第２軸の回転角（θ２）とに基づいて、連結軸の捩れ角（γ）を演算することができる。そして、連結軸の捩れ角（γ）に、連結軸のバネ定数（Ｋ）を乗算することにより、第１軸に加えられたトルク（Ｔ）を演算することができる。

請求項４記載の発明は、前記トルク演算手段は、前記第１の信号成分および前記第２の信号成分から演算される前記第１軸の回転角（θ１）と、前記第３の信号成分および前記第４の信号成分から演算される前記第２軸の回転角（θ２）と、予め設定されかつ前記連結軸に捩れが生じていない状態における前記第１軸の回転角と前記第２軸の回転角との角度差（β）と、予め設定される前記連結軸のバネ定数（Ｋ）とを用いて、前記第１軸に加えられたトルク（Ｔ）を演算するように構成されている、請求項１または２に記載のトルク検出装置である。

第１の磁石および第２の磁石の組み付け誤差等によって、連結軸に捩れが生じていない状態においても、第１の信号成分および第２の信号成分から演算される第１軸の回転角（θ１）と、第３の信号成分および第４の信号成分から演算される第２軸の回転角（θ２）との間に角度差（β）が生じるおそれがある。
この構成では、第１の信号成分および第２の信号成分から演算される第１軸の回転角（θ１）と、第３の信号成分および第４の信号成分から演算される第２軸の回転角（θ２）と、連結軸に捩れが生じていない状態における第１軸の回転角と出力軸の回転角との角度差（β）とに基づいて、連結軸の捩れ角（γ）を演算することができる。そして、連結軸の捩れ角（γ）に、連結軸のバネ定数（Ｋ）を乗算することにより、第１軸に加えられたトルク（Ｔ）を演算することができる。

この構成によれば、連結軸に捩れが生じていない状態において、第１軸の回転角と第２軸の回転角との間に角度差（β）がある場合にも、連結軸の捩れ角（γ）を正確に演算することができ、トルク（Ｔ）の演算精度を高めることができる。

この発明の一実施形態に係るトルク検出装置を備えた電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 トルクセンサの一部を示す一部切欠き平面図である。 図２のIII-III線に沿う断面図である。 トルクセンサを示す分解斜視図である。 ステアリングホイールが中立位置にあり、入力軸に操舵トルクが加えられていない状態において、センサ取付用基板側から第１の磁石を見た場合の第１および第２の磁気センサと第１の磁石との位置関係を示す模式図である。 ステアリングホイールが中立位置にあり、入力軸に操舵トルクが加えられていない状態において、センサ取付用基板側から第２の磁石を見た場合の第３および第４の磁気センサと第２の磁石との位置関係を示す模式図である。

以下では、この発明を、電動パワーステアリング装置に適用した場合の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係るトルク検出装置を備えた電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
電動パワーステアリング装置１は、操舵部材としてのステアリングホイール２と、このステアリングホイール２の回転に連動して転舵輪３を転舵する転舵機構４と、運転者の操舵を補助するための操舵補助機構５とを備えている。ステアリングホイール２と転舵機構４とは、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して機械的に連結されている。

ステアリングシャフト６は、ステアリングホイール２に連結された軸８と、軸８に一体回転可能に連結された入力軸（第１軸）９と、中間軸７に連結された出力軸（第２軸）１０とを含む。入力軸９と出力軸１０とは、トーションバー（連結軸）１１を介して同一軸線上で相対回転可能に連結されている。
ステアリングシャフト６の周囲には、トルクセンサ２０が設けられている。トルクセンサ２０は、トーションバー１１の捩れに起因する入力軸９および出力軸１０の相対回転変位量に基づいて、ステアリングホイール２（入力軸９）に加えられたトルク（以下「操舵トルク」という）を検出する。トルクセンサ２０は、後述するように４つの磁気センサ４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂ（図４参照）を含んでいる。各磁気センサの出力信号は、マイクロコンピュータを含むＥＣＵ（電子制御ユニット：Electronic Control Unit）１２に入力される。ＥＣＵ１２は、各磁気センサの出力信号に基づいて、操舵トルクを演算する。したがって、トルクセンサ２０とＥＣＵ１２とによってトルク検出装置が構成されている。また、ＥＣＵ１２には、車速センサ２３によって検出される車速が入力される。

転舵機構４は、ピニオン軸１３と、ラック軸１４とを含むラックアンドピニオン機構からなる。ラック軸１４の各端部には、タイロッド１５およびナックルアーム（図示略）を介して転舵輪３が連結されている。ピニオン軸１３は、中間軸７に連結されている。ピニオン軸１３の先端（図１では下端）には、ピニオン１６が連結されている。
ラック軸１４は、自動車の左右方向に沿って直線状にのびている。ラック軸１４の軸方向の中間部には、ピニオン１６に噛み合うラック１７が形成されている。このピニオン１６およびラック１７によって、ピニオン軸１３の回転がラック軸１４の軸方向移動に変換される。ラック軸１４を軸方向に移動させることによって、転舵輪３を転舵することができる。

ステアリングホイール２が操舵（回転）されると、この回転が、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して、ピニオン軸１３に伝達される。そして、ピニオン軸１３の回転は、ピニオン１６およびラック１７によって、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。
操舵補助機構５は、操舵補助用の電動モータ１８と、電動モータ１８の出力トルクを転舵機構４に伝達するための減速機構１９とを含む。電動モータ１８は、この実施形態では、三相ブラシレスモータからなる。減速機構１９は、ウォーム軸２１と、このウォーム軸２１と噛み合うウォームホイール２２とを含むウォームギア機構からなる。ウォーム軸２１は、電動モータ１８によって回転駆動される。また、ウォームホイール２２は、ステアリングシャフト６とは同方向に回転可能に連結されている。

電動モータ１８によってウォーム軸２１が回転駆動されると、ウォームホイール２２が回転駆動され、ステアリングシャフト６が回転する。そして、ステアリングシャフト６の回転は、中間軸７を介してピニオン軸１３に伝達される。ピニオン軸１３の回転は、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。すなわち、電動モータ１８によってウォーム軸２１を回転駆動することによって、転舵輪３が転舵されるようになっている。

電動モータ１８は、ＥＣＵ１２によって制御される。ＥＣＵ１２は、トルクセンサ２０の出力信号に基づいて演算される操舵トルク、車速センサ２３によって検出される車速等に基いて、電動モータ１８を制御する。具体的には、ＥＣＵ１２では、操舵トルクと目標アシスト量との関係を車速ごとに記憶したマップを用いて目標アシスト量を決定し、電動モータ１８の発生するアシスト力が目標アシスト量に近づくように制御する。

図２は、トルクセンサ２０の一部を示す一部切欠き平面図である。図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。図４は、トルクセンサ２０を示す分解斜視図である。以下の説明において、上とは図３の上側を、下とは図３の下側をそれぞれいうものとする。
図２および図３を参照して、入力軸９と出力軸１０とは、トーションバー１１を介して連結されている。入力軸９および出力軸１０は、車体（図示略）に取り付けられているハウジング３０に支持されている。ハウジング３０は、センサハウジング３１とギヤハウジング３２とによって構成されている。ギヤハウジング３２には、減速機構１９等が収容される。センサハウジング３１には、トルクセンサ２０等が収容される。

減速機構１９は、出力軸１０の軸方向中間部に、一体回転可能に連結されたウォームホイール２２と、このウォームホイール２２に噛み合うウォーム軸２１（図３では図示略）とを備えている。ウォームホイール２２は、出力軸１０に一体回転可能に連結された芯金２２ａと、芯金２２ａの周囲に形成されかつ外周面部に歯が形成された合成樹脂部材２２ｂとを備えている。

出力軸１０は、ウォームホイール２２を挟んで配置される一対の転がり軸受３３，３４を介して、センサハウジング３１およびギヤハウジング３２に回転自在に支持されている。入力軸９は、転がり軸受け３５を介して、センサハウジング３１に回転自在に支持されている。
トーションバー１１は、入力軸９および出力軸１０を貫通している。トーションバー１１の一端１１ａは、入力軸９に一体回転可能に連結されている。トーションバー１１の他端１１ｂは出力軸１０に一体回転可能に連結されている。入力軸９には、ステアリングホイール２が連結されている軸８が、一体回転可能に連結されている。出力軸１０には、中間軸７（図３では図示略）が一体回転可能に連結されている。

図２〜図４を参照して、トルクセンサ２０は、入力軸９に一体回転可能に連結された環状の第１の磁石４１と、出力軸１０に一体回転可能に連結されかつ第１の磁石４１に対向する環状の第２の磁石４２と、両磁石４１，４２の間に配置されかつ第１の磁石４１に対向する第１の磁気センサ４３Ａおよび第２の磁気センサ４３Ｂと、両磁石４１，４２の間に配置されかつ第２の磁石４２に対向する第３の磁気センサ４４Ａおよび第４の磁気センサ４４Ｂとを含んでいる。この実施形態では、各磁気センサ４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂとしては、ホール素子が用いられている。

入力軸９の外周面には、短筒状の第１の磁石固定金具４５が嵌め合わされた状態で固定されている。出力軸１０には、短筒状の第２の磁石固定金具４６が嵌め合わされた状態で固定されている。第１の磁石固定金具４５と第２の磁石固定金具４６とは、入力軸９の軸方向に比較的短い間隔をおいて対向して配置されている。
第１の磁石固定金具４５における第２の磁石固定金具４６と対向する環状端面の外周縁部には、環状の切除部４５ａが形成されている。第２の磁石固定金具４６における第１の磁石固定金具４５と対向する環状端面の外周縁部には、環状の切除部４６ａが形成されている。

第１の磁石４１および第２の磁石４２は、同形同大の環状であり、その周方向に等間隔で１０個の磁極(５組の磁極対)が着磁されている。第１の磁石４１は、第１の磁石固定金具４５の環状の切除部４５ａに嵌め込まれた状態で、第１の磁石固定金具４５に固定されている。第２の磁石４２は、第２の磁石固定金具４６の環状の切除部４６ａに嵌め込まれた状態で、第２の磁石固定金具４６に固定されている。

第１の磁石４１と第２の磁石４２との間には、センサ取付用基板４７が配置されている。 センサ取付用基板４７は、入力軸９の軸方向から見て略矩形であり、その下部に入力軸９を通すための略半円形の切欠部４７ａが形成されている。センサ取付用基板４７における第１の磁石４１に対向する第１の面に、第１の磁気センサ４３Ａおよび第２の磁気センサ４３Ｂが取り付けられている。センサ取付用基板４７における第２の磁石４２に対向する第２の面に、第３の磁気センサ４４Ａおよび第４の磁気センサ４４Ｂが取り付けられている。つまり、第１〜第４の磁気センサ４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂは、第１の磁石４１と第２の磁石４２との間（第１の磁石４１と第２の磁石４２とによって挟まれた空間内）に配置されている。

第１の磁石４１側から第２の磁石を見た場合、第１の磁気センサ４３Ａはセンサ取付用基板４７の右側部の下端よりに配置され、第２の磁気センサ４３Ｂは第１の磁気センサ４３Ａに対して反時計方向に電気角で９０°の角度間隔をおいて配置されている。第１の磁石４１側から第２の磁石を見た場合、第３の磁気センサ４４Ａは、センサ取付用基板４７を挟んで、第１の磁気センサ４３Ａの真後に配置されている。また、第１の磁石４１側から第２の磁石を見た場合、第４の磁気センサ４４Ｂは、センサ取付用基板４７を挟んで、第２の磁気センサ４３Ｂの真後に配置されている。

つまり、第３の磁気センサ４４Ａは、第１の磁石４１における第１の磁気センサ４３Ａが対向する位置と第１の磁気センサ４３Ａとを結ぶ線の延長線上に配置されており、第４の磁気センサ４４Ｂは、第１の磁石４１における第２の磁気センサ４３Ｂが対向する位置と第２の磁気センサ４３Ｂとを結ぶ線の延長線上に配置されている。
また、第１の磁石４１と第１の磁気センサ４３Ａおよび第２の磁気センサ４３Ｂとの間隔と、第２の磁石４２と第３の磁気センサ４４Ａおよび第４の磁気センサ４４Ｂとの間隔とは等しい。

センサ取付用基板４７は、ボルト５１，５２等によって、センサハウジング３１に支持されている基板固定金具５０に取り付けられている。
トルクセンサ２０およびＥＣＵ１２による操舵トルクの検出方法について説明する。
図５は、ステアリングホイール２が中立位置にあり、ステアリングホイール２に操舵トルクが加えられていない状態において、センサ取付用基板４７側から第１の磁石４１を見た場合の第１および第２の磁気センサ４３Ａ，４３Ｂと第１の磁石４１との位置関係を示す模式図である。図６は、ステアリングホイール２が中立位置にあり、ステアリングホイール２に操舵トルクが加えられていない状態において、センサ取付用基板４７側から第２の磁石４２を見た場合の第３および第４の磁気センサ４４Ａ，４４Ｂと第２の磁石４２との位置関係を示す模式図である。

ステアリングホイール２が中立位置にあり、ステアリングホイール２に操舵トルクが加えられていない状態においては、第１の磁石４１のＮ極の磁極と第２の磁石４１のＮ極の磁極とが対向するように、第１の磁石４１および第２の磁石４１はそれぞれ入力軸９および出力軸１０に固定されている。したがって、トーションバー１１に捩れが生じていない状態においては、第１の磁石４１のＮ極の磁極と第２の磁石４１のＮ極の磁極とは互いに対向している。

ステアリングホイール２側から見て入力軸９が時計方向に回転すると、それに伴って第１の磁石４１および第２磁石４２も時計方向に回転する。この場合、第１および第２の磁気センサ４３Ａ，４３Ｂ側から第１の磁石４１を見ると、図５に矢印Ａで示す方向（反時計方向）に第１の磁石４１が回転する。一方、第３および第４の磁気センサ４４Ａ，４４Ｂ側から第２の磁石４２を見ると、図６に矢印Ａで示す方向（時計方向）に第２の磁石４２が回転する。そこで、図５および図６に矢印Ａで示す方向を正方向とし、各磁石４１，４２が正方向に回転されると、各磁石４１，４２の回転角が大きくなり、各磁石４１，４２が逆方向に回転されると、各磁石４１，４２の回転角が小さくなるものとする。

第１および第２の磁気センサ４３Ａ，４３Ｂは、第１の磁石４１からの磁束と第２の磁石４２からの磁束との和に応じた第１および第２の出力信号Ｖ１，Ｖ２をそれぞれ出力する。第１の磁石４１の回転角（電気角）をθ１とすると、第１の出力信号Ｖ１に含まれる第１の磁石４１からの磁束のみに基づく信号成分はsinθ１となり、第２の出力信号Ｖ２に含まれる第１の磁石４１からの磁束のみに基づく信号成分はcosθ１となる。ただし、当該信号成分の振幅を１としている。

第３および第４の磁気センサ４４Ａ，４４Ｂは、第２の磁石４２からの磁束と第１の磁石４１からの磁束との和に応じた第３および第４の出力信号Ｖ３，Ｖ４をそれぞれ出力する。第２の磁石４２の回転角（電気角）をθ２とすると、第３の出力信号Ｖ３に含まれる第２の磁石４２からの磁束のみに基づく信号成分はsinθ２となり、第４の出力信号Ｖ４のうち、第２の磁石４２からの磁束のみに基づく信号成分はcosθ２となる。ただし、当該信号成分の振幅を１としている。

第１の磁気センサ４３Ａおよび第２の磁気センサ４３Ｂと第２の磁石４２との距離は、第３の磁気センサ４４Ａおよび第４の磁気センサ４４Ｂと第２の磁石４２との距離より、センサ取付用基板４７の厚み分だけ大きい。このため、第３の磁気センサ４４Ａおよび第４の磁気センサ４４Ｂによる第２の磁石４２の磁束の検出量に対して、第１の磁気センサ４３Ａおよび第２の磁気センサ４３Ｂによる第２の磁石４２の磁束の検出量は小さくなる。第３の磁気センサ４４Ａおよび第４の磁気センサ４４Ｂによる第２の磁石４２からの磁束の検出量に対する、第１の磁気センサ４３Ａおよび第２の磁気センサ４３Ｂによる第２の磁石４２からの磁束の検出量の割合を第１の減衰係数ｋ１と定義する。第１の減衰係数ｋ１は、たとえば、第１の磁石４１からの距離と当該磁石４１に基づく磁束密度との関係を測定し、第１の磁石４１と第３の磁気センサ４４Ａとの距離に対応する磁束密度を第１の磁石４１と第１の磁気センサ４３Ａとの距離に対応する磁束密度で除算することによって求めることができる。

同様に、第１の磁気センサ４３Ａおよび第２の磁気センサ４３Ｂによる第１の磁石４１からの磁束の検出量に対する、第３の磁気センサ４４Ａおよび第４の磁気センサ４４Ｂによる第１の磁石４１からの磁束の検出量の割合を第２の減衰係数ｋ２と定義する。第２の減衰係数ｋ２は、たとえば、第２の磁石４２からの距離と当該磁石４２に基づく磁束密度との関係を測定し、第２の磁石４２と第１の磁気センサ４３Ａとの距離に対応する磁束密度を第２の磁石４２と第３の磁気センサ４４Ａとの距離に対応する磁束密度で除算することによって求めることができる。

以上のように減衰係数ｋ１，ｋ２を定義すると、第１の出力信号Ｖ１に含まれる第２の磁石４２からの磁束のみに基づく信号成分は、ｋ１・sinθ２となる。第２の出力信号Ｖ２に含まれる第２の磁石４２からの磁束のみに基づく信号成分は、ｋ１・cosθ２となる。第３の出力信号Ｖ３に含まれる第１の磁石４１からの磁束のみに基づく信号成分は、ｋ２・sinθ１となる。第４の出力信号Ｖ４に含まれる第１の磁石４１からの磁束のみに基づく信号成分は、ｋ２・cosθ１となる。

したがって、第１〜第４の出力信号Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ次式(1)〜(4)で表される。
Ｖ１＝sinθ１＋ｋ１・sinθ２ …(1)
Ｖ２＝cosθ１＋ｋ１・cosθ２ …(2)
Ｖ３＝sinθ２＋ｋ２・sinθ１ …(3)
Ｖ４＝cosθ２＋ｋ２・cosθ１ …(4)
前記(1)式と(3)式とから、sinθ１を演算することができる。具体的には、（１／ｋ１）×Ｖ１−Ｖ３を演算すると次式(5)が得られる。
（１／ｋ１）×Ｖ１−Ｖ３＝（１／ｋ１）・sinθ１＋sinθ２−sinθ２−ｋ２・sinθ１
＝｛（１／ｋ１）−ｋ２｝・sinθ１ …(5）
sinθ１について整理すると、次式(6)が得られる。

sinθ１＝｛（１／ｋ１）×Ｖ１−Ｖ３｝／｛（１／ｋ１）−ｋ２｝…(6）
また、前記(1)式と(3)式とから、sinθ２を演算することができる。具体的には、（１／ｋ２）×Ｖ３−Ｖ１を演算すると次式(7)が得られる。
（１／ｋ２）×Ｖ３−Ｖ１＝（１／ｋ２）・sinθ２＋sinθ１−sinθ１−ｋ１・sinθ２
＝｛（１／ｋ２）−ｋ１｝・sinθ２ …(7）
sinθ２について整理すると、次式(8)が得られる。

sinθ２＝｛（１／ｋ２）×Ｖ３−Ｖ１｝／｛（１／ｋ２）−ｋ１｝…(8）
また、前記(2)式と(4)式とから、cosθ１を演算することができる。具体的には、（１／ｋ１）×Ｖ２−Ｖ４を演算すると次式(9)が得られる。
（１／ｋ１）×Ｖ２−Ｖ４＝（１／ｋ１）・cosθ１＋cosθ２−cosθ２−ｋ２・cosθ１
＝｛（１／ｋ１）−ｋ２｝・cosθ１ …(9）
cosθ１について整理すると、次式(10)が得られる。

cosθ１＝｛（１／ｋ１）×Ｖ２−Ｖ４｝／｛（１／ｋ１）−ｋ２｝…(10）
また、前記(2)式と(4)式とから、cosθ２を演算することができる。具体的には、（１／ｋ２）×Ｖ４−Ｖ２を演算すると次式(11)が得られる。
（１／ｋ２）×Ｖ４−Ｖ２＝（１／ｋ２）・cosθ２＋cosθ１−cosθ１−ｋ１・cosθ２
＝｛（１／ｋ２）−ｋ１｝・cosθ２ …(11）
cosθ２について整理すると、次式(12)が得られる。

cosθ２＝｛（１／ｋ２）×Ｖ４−Ｖ２｝／｛（１／ｋ２）−ｋ１｝…(12）
入力軸９の回転角（電気角）θ１は、次式(13)によって表される。
θ１＝tan^−１｛sinθ１／cosθ１｝
＝｛（１／ｋ１）×Ｖ１−Ｖ３｝／｛（１／ｋ１）−ｋ２｝÷｛（１／ｋ１）
×Ｖ２−Ｖ４｝／｛（１／ｋ１）−ｋ２｝ …(13)
出力軸１０の回転角（電気角）θ２は、次式(14)によって表される。

θ２＝tan^−１｛sinθ２／cosθ２｝
＝｛（１／ｋ２）×Ｖ３−Ｖ１｝／｛（１／ｋ２）−ｋ１｝÷｛（１／ｋ２）
×Ｖ４−Ｖ２｝／｛（１／ｋ２）−ｋ１｝ …(14)
トーションバー１１の捩れ角γ［deg］の最大値の絶対値は、前記電気角の３６０°に相当する機械角７２［deg］より小さいので、トーションバー１１の捩れ角（機械角）γは次式(15)によって表される。

γ＝（θ２−θ１）／５ …(15)
前記式(15)における「５」は、各磁石４１，４２に設けられた磁極対の数である。
操舵トルクＴは、トーションバー１１のバネ定数をＫ［Nm］とすると、次式(16）によって表される。
Ｔ＝γ×Ｋ …(16)
減衰係数ｋ１，ｋ２およびトーションバー１１のバネ定数Ｋは、ＥＣＵ１２内の不揮発性メモリに予め記憶されている。

ＥＣＵ１２は、所定の演算周期毎に、各磁気センサ４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂの出力信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を取り込んで、操舵トルクＴを演算する。具体的には、取り込んだ出力信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４と、減衰係数ｋ１，ｋ２と、トーションバー１１のバネ定数Ｋと、前記式(13)〜(16)に基づいて、操舵トルクＴを演算する。
なお、第１の磁石４１と第２の磁石４２の組み付け誤差等により、トーションバー１１に捩れが生じていない状態において、前記式(13)に基づいて演算される入力軸９の回転角（電気角）θ１と前記式(14)に基づいて演算される出力軸１０の回転角（電気角）θ２との間に所定の角度差Δθが存在する場合がある。このような場合には、次のようにして、操舵トルクＴが演算される。

トーションバー１１に捩れが生じていない状態における前記所定の角度差Δθに相当する機械角をβとする。この角度差βは生産時に予め求められて、ＥＣＵ１２内の不揮発性メモリに記憶される。
前記式(13)によって演算される第１の磁石４１の回転角（電気角）θ１と前記式(14)によって演算される第２の磁石４２の回転角（電気角）θ２との差に相当する機械角をα（＝（θ２−θ１）／５）とすると、α＝β＋γとなる。

そこで、ＥＣＵ１２は、次式(17)に基づいて、操舵トルクＴを演算する。
Ｔ＝γ×Ｋ
＝（α−β）×Ｋ
＝［｛（θ２−θ１）／５｝−β］×Ｋ …(17)
つまり、この場合には、ＥＣＵ１２は、演算周期毎に、取り込んだ出力信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４と、減衰係数ｋ１，ｋ２と、トーションバー１１のバネ定数Ｋと、角度差βと、上記式(13)，(14)，(17)に基づいて、操舵トルクＴを演算する。

前記実施形態では、入力軸９に一体回転可能に連結された第１の磁石４１と出力軸１０に一体回転可能に連結された第２の磁石４２との間に、第１〜第４の磁気センサ４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂが配置されている。したがって、トルクセンサ１１における入力軸９の軸方向に直交する大きさを小さくすることができる。
ところで、第２の磁石４２からの磁束を第１の磁気遮断部材を用いて遮断し、第１の磁石４１からの磁束のみを検出できる２つの磁気センサを設けるとともに、第１の磁石４１からの磁束を第２の磁気遮断部材を用いて遮断し、第２の磁石４２からの磁束のみを検出できる２つの磁気センサを設けて、トーションバー１１の捩れ角を演算することが考えられる。具体的には、第１の磁石４１からの磁束のみを検出できる２つの磁気センサの出力信号に基づいて入力軸９の回転角（電気角）を演算する。一方、第２の磁石４２からの磁束のみを検出できる２つの磁気センサの出力信号に基づいて出力軸１０の回転角（電気角）を演算する。そして、入力軸９の回転角と出力軸１０の回転角との差に基づいて、トーションバー１１の捩れ角を演算する。このような構成では、２つの磁気遮断部材が必要となるため、構成が複雑となるとともに、トルクセンサにおける入力軸の軸方向の大きさが大きくなる。

このような構成と比較すると、前記実施形態では、磁気遮断部材が不要であるため、構成が簡単になるとともに、トルクセンサにおける入力軸の軸方向の大きさを小さくすることができる。
また、前記実施形態では、センサ取付用基板４７の一方の面（第１の面）に、第１および第２の磁気センサ４３Ａ，４３Ｂが取り付けられており、他方の面（第２の面）に第３および第４の磁気センサ４４Ａ，４４Ｂが取り付けられている。これにより、磁気センサを取り付けるための基板が１枚で済むため、コストを低減化することができる。

前記実施形態では、磁気センサ４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂとして、ホール素子が用いられているが、磁界の作用により電気的特性が変化する特性を有する素子であれば、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）等のホール素子以外の素子を用いてもよい。
この発明は、電動パワーステアリング装置以外の他の装置にも適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

９…入力軸（第１軸）、１０…出力軸（第２軸）、１１…トーションバー、４１…第１の磁石、４２…第２の磁石、４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂ…磁気センサ、４７…センサ取付用基板、１２…ＥＣＵ

Claims (4)

1. 第１軸と第２軸とを連結する連結軸を含み、前記連結軸の捩れに起因する前記第１軸と前記第２軸の相対的回転変位量に基づいて、前記第１軸に加えられたトルクを検出するトルク検出装置であって、
   前記第１軸に一体回転可能に連結された環状の第１の磁石と、
   前記第２軸に一体回転可能に連結されかつ前記第１の磁石と対向する環状の第２の磁石と、
   前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に前記第１の磁石と対向して配置され、前記第１の磁石からの磁束と前記第２の磁石からの磁束との和に応じた第１および第２の出力信号をそれぞれ出力する第１および第２の磁気センサと、
   前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に前記第２の磁石に対向して配置され、前記第２の磁石からの磁束と前記第１の磁石からの磁束との和に応じた第３および第４の出力信号をそれぞれ出力する第３および第４の磁気センサとを含み、
   前記第３の磁気センサは、前記第１の磁石における前記第１の磁気センサが対向する位置と前記第１の磁気センサとを結ぶ線の延長線上に配置されており、
   前記第４の磁気センサは、前記第１の磁石における前記第２の磁気センサが対向する位置と前記第２の磁気センサとを結ぶ線の延長線上に配置されており、
   前記第１の出力信号と前記第３の出力信号とに基づいて、前記第１の出力信号から前記第２の磁石からの磁束の影響が除去された第１の信号成分を演算するとともに、前記第３の出力信号から前記第１の磁石からの磁束の影響が除去された第３の信号成分を演算する手段と、
   前記第２の出力信号と前記第４の出力信号とに基づいて、前記第２の出力信号から前記第２の磁石からの磁束の影響が除去された第２の信号成分を演算するとともに、前記第４の出力信号から前記第１の磁石からの磁束の影響が除去された第４の信号成分を演算する手段と、
   前記第１〜第４の信号成分を用いて、前記第１軸に加えられたトルクを演算するトルク演算手段とをさらに含む、トルク検出装置。
2. 前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に、前記第１の磁石に対向する第１の面と前記第２の磁石に対向する第２の面とを有するセンサ取付用基板が配置されており、
   前記センサ取付用基板における前記第１の面に、前記第１および第２の磁気センサが取り付けられており、
   前記センサ取付用基板における前記第２の面に、前記第３および第４の磁気センサが取り付けられている、請求項１に記載のトルク検出装置。
3. 前記トルク演算手段は、前記第１の信号成分および前記第２の信号成分から演算される前記第１軸の回転角と、前記第３の信号成分および前記第４の信号成分から演算される前記第２軸の回転角と、前記連結軸のバネ定数とを用いて、前記第１軸に加えられたトルクを演算するように構成されている、請求項１または２に記載のトルク検出装置。
4. 前記トルク演算手段は、前記第１の信号成分および前記第２の信号成分から演算される前記第１軸の回転角と、前記第３の信号成分および前記第４の信号成分から演算される前記第２軸の回転角と、予め設定されかつ前記連結軸に捩れが生じていない状態における前記第１軸の回転角と前記第２軸の回転角との角度差と、予め設定される前記連結軸のバネ定数とを用いて、前記第１軸に加えられたトルクを演算するように構成されている、請求項１または２に記載のトルク検出装置。

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