JP2019113505A - 演算処理装置、トルクセンサ及びパワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同軸上に配置される２つの回転軸の相対角度の演算処理の短時間化、かつ当該演算処理を行う演算処理回路における小消費電力化を可能とする演算処理装置を提供する。【解決手段】同軸上に配置されて連結される第１及び第２回転軸に発生するトルクを、第１及び第２回転軸の回転により第１及び第２磁気センサ素子から出力される第１及び第２出力信号（第１正弦波信号ＳS1、第１余弦波信号ＳC1、第２正弦波信号ＳS2、第２余弦波信号ＳC2）を用いて算出する演算処理装置は、第１及び第２出力信号から第１及び第２回転軸の相対的位相差ＣPDを式（１）から算出する位相差演算部と、相対的位相差との相関関係に基づき求められる第１及び第２回転軸の相対的ねじれ角度からトルクを算出するトルク演算部とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、センサ素子からの出力信号に基づいてトルク値を演算する演算処理装置、トルクセンサ及びパワーステアリング装置に関する。

車両用のパワーステアリング装置等において、トーションバーの両端に多極磁石を設け、これらの多極磁石の回転変位に応じた磁束を磁気センサで検出し、検出した磁束からトーションバーに生じたねじれ角（相対的ねじれ角度）を演算し、このねじれ角からトルク値を検出するトルクセンサが用いられている。このトルクセンサにより検出されるトルク値に基づいてモータ又は油圧装置を駆動して操舵輪の操舵力を補助することにより、運転者が小さい操舵力で操舵できるようになっている。

特開２０１７−４４６８３号公報

特許文献１に記載のトルクセンサにおいては、入力軸と同期回転可能に当該入力軸に取り付けられた第１多極リング磁石に対応して第１回転角度センサが設けられ、出力軸と同期回転可能に当該出力軸に取り付けられた第２多極リング磁石に対応して第２回転角度センサが設けられている。そして、第１回転角度センサから出力されるセンサ信号に基づいて入力軸の回転角度が算出され、第２回転角度センサから出力される信号に基づいて出力軸の回転角度が算出され、それらの差分の演算により相対角度（入力軸と出力軸とのねじれ角度）Δθが算出される。そして、相対角度Δθに基づき、操舵トルクが演算される。

第１回転角度センサ及び第２回転角度センサのそれぞれから出力されるセンサ信号は、入力軸（第１多極リング磁石）及び出力軸（第２多極リング磁石）のそれぞれの回転角度を示す正弦波信号（ｓｉｎ信号）と余弦波信号（ｃｏｓ信号）とを含み、各回転角度は、正弦波信号と余弦波信号とを利用した逆正接演算（ａｔａｎ演算）により算出される。すなわち、第１回転角度センサにより出力されるセンサ信号（ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号）から逆正接（ａｔａｎ）を演算して入力軸の回転角度を求めるとともに、第２回転角度センサにより出力されるセンサ信号（ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号）からも同様に逆正接（ａｔａｎ）を演算して出力軸の回転角度を求める必要がある。そのため、逆正接演算処理に必要な演算処理回路の回路規模が大きくなってしまい、演算処理回路を含む角度検出装置における消費電力が大きくなってしまうという問題がある。また、逆正接（ａｔａｎ）演算には多くのクロック数がかかるため、演算処理回路における演算処理時間が長くなってしまうという問題もある。

上記課題に鑑み、本発明は、同軸上に配置される２つの回転軸の相対角度（ねじれ角度）を短時間で演算することができ、かつ当該演算処理を行う演算処理回路における消費電力を小さくすることのできる演算処理装置、当該演算処理装置を備えるトルクセンサ及び当該トルクセンサを備えるステアリング装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、トーションバーを介して連結され、同軸上に配置される第１回転軸及び第２回転軸に発生するトルクを、前記第１回転軸の回転に伴って第１磁気センサ素子から出力される第１正弦波信号及び第１余弦波信号を含む第１出力信号と、前記第２回転軸の回転に伴って第２磁気センサ素子から出力される第２正弦波信号及び第２余弦波信号を含む第２出力信号とを用いて算出する演算処理装置であって、前記第１出力信号及び前記第２出力信号から、前記第１回転軸及び前記第２回転軸の相対的位相差を下記式（１）に基づいて算出する位相差演算部と、前記位相差演算部により算出される前記相対的位相差との間の相関関係に基づいて求められる、前記第１回転軸及び前記第２回転軸の回転角度の差分として表される相対的ねじれ角度から、前記トルクを算出するトルク演算部とを備えることを特徴とする演算処理装置を提供する。

式（１）中、Ｃ_PDは「相対的位相差」を表し、Ｓ_S1は「第１正弦波信号」を表し、Ｓ_C1は「第１余弦波信号」を表し、Ｓ_S2は「第２正弦波信号」を表し、Ｓ_C2は「第２余弦波信号」を表す。

本明細書において「正弦波信号」には、理想的な正弦波の波形により表される信号の他、当該理想的な正弦波の波形に極めて近い波形（ひずみ率：３０％以内）により表される信号（略正弦波信号）も含まれる。また、本明細書において「余弦波信号」には、理想的な余弦波の波形により表される信号の他、当該理想的な余弦波の波形に極めて近い波形（ひずみ率：３０％以内）により表される信号（略余弦波信号）も含まれる。なお、ひずみ率は、フーリエ解析等の手法により信号の理想的な成分と歪み成分とを分離して評価可能なひずみ率測定装置等を用いて測定され得る。また、正弦波信号と余弦波信号とは、それらの位相差が９０ｄｅｇ±２０ｄｅｇの範囲内程度でずれていることを許容する趣旨である。

上記演算処理装置は、前記相対的ねじれ角度と前記相対的位相差との相関関係を予め記憶する記憶部をさらに備え、前記トルク演算部は、前記位相差演算部により算出される前記相対的位相差と前記記憶部に記憶されている前記相関関係とに基づいて求められる前記相対的ねじれ角度から、前記トルクを算出することができ、前記相対的ねじれ角度が１０°以下であればよい。

本発明は、上記演算処理装置と、前記第１回転軸に設けられ、前記第１回転軸と一体的に回転する第１磁界発生部と、前記第２回転軸に設けられ、前記第２回転軸と一体的に回転する第２磁界発生部と、前記第１磁気センサ素子及び前記第２磁気センサ素子を有する磁気センサ部とを備え、前記第１磁界発生部及び前記第２磁界発生部は、周方向に異なる磁極が交互に配列されてなる多極磁石であり、前記第１磁気センサ素子は、前記第１磁界発生部から発生する磁界に応じて前記第１出力信号を出力し、前記第２磁気センサ素子は、前記第２磁界発生部から発生する磁界に応じて前記第２出力信号を出力することを特徴とするトルクセンサを提供する。

上記トルクセンサにおいて、前記第１磁気センサ素子及び前記第２磁気センサ素子のそれぞれは、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子又はホール素子であればよい。

本発明は、ステアリングの操舵機構に動力を与えて前記ステアリングの操舵力を補助する動力発生部と、前記トルクセンサと、前記トルクセンサにより検出された前記トルクに応じて前記動力発生部を駆動させる制御部とを備えることを特徴とするステアリング装置を提供する。

本発明によれば、同軸上に配置される２つの回転軸の相対角度（ねじれ角度）を短時間で演算することができ、かつ当該演算処理を行う演算処理回路における消費電力を小さくすることのできる演算処理装置、当該演算処理装置を備えるトルクセンサ及び当該トルクセンサを備えるステアリング装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るトルクセンサの概略構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態における磁気検出装置の概略構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の一実施形態における第１−１ホイートストンブリッジ回路の回路構成を概略的に示す回路図である。 図４は、本発明の一実施形態における第１−２ホイートストンブリッジ回路の回路構成を概略的に示す回路図である。 図５は、本発明の一実施形態における第２−１ホイートストンブリッジ回路の回路構成を概略的に示す回路図である。 図６は、本発明の一実施形態における第２−２ホイートストンブリッジ回路の回路構成を概略的に示す回路図である。 図７は、本発明の一実施形態における磁気検出素子としてのＭＲ素子の概略構成を示す斜視図である。 図８は、本発明の一実施形態における磁気検出素子としてのＭＲ素子の概略構成を示す断面図である。 図９は、本発明の一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構成を示す概略図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るトルクセンサの概略構成を示す斜視図であり、図２は、本実施形態における磁気検出装置の概略構成を示すブロック図であり、図３〜６は、本実施形態における第１−１ホイートストンブリッジ回路、第１−２ホイートストンブリッジ回路、第２−１ホイートストンブリッジ回路及び第２−２ホイートストンブリッジ回路の回路構成を概略的に示す回路図であり、図７及び図８は、本実施形態における磁気検出素子としてのＭＲ素子の概略構成を示す斜視図及び断面図である。なお、本実施形態において、車両の電動パワーステアリング装置に用いられるトルクセンサを例に挙げて説明する。

本実施形態に係るトルクセンサ１は、ステアリングホイール１０１に連続する入力軸１０２Ａの一端部（出力軸１０２Ｂ側の一端部）に設けられてなる第１多極磁石２Ａと、トーションバー１０２Ｃを介して入力軸１０２Ａに連続する出力軸１０２Ｂの一端部（入力軸１０２Ａ側の一端部）に設けられてなる第２多極磁石２Ｂと、第１多極磁石２Ａに対向して配置される第１磁気検出装置３Ａ及び第２多極磁石２Ｂに対向して配置される第２磁気検出装置３Ｂを含む磁気検出装置３とを備える。

第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂは、回転軸ＲＡを中心として入力軸１０２Ａの一端部及び出力軸１０２Ｂの一端部に回転可能に設けられており、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの回転に連動するようにして回転軸ＲＡを中心として回転する。

第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂは、Ｎ極及びＳ極の一対の極を複数含み、Ｎ極及びＳ極が、互いに交互に放射状（リング状）に配列されている。第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂは、それぞれが有する磁化に基づいて磁界を発生させる。本実施形態において、第１多極磁石２Ａと第２多極磁石２Ｂの極数は１５極であるが、第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂの極数はこれに限定されるものではない。

第１磁気検出装置３Ａは、第１多極磁石２Ａに対向するように配置されており、第１多極磁石２Ａにより生じる磁界を検出する。第２磁気検出装置３Ｂは、第２多極磁石２Ｂに対向するように配置されており、第２多極磁石２Ｂにより生じる磁界を検出する。後述するように、本実施形態に係るトルクセンサ１は、第１磁気検出装置３Ａ及び第２磁気検出装置３Ｂのそれぞれの出力に基づいて、トルクを求めることができる。

磁気検出装置３は、第１磁気検出装置３Ａと、第２磁気検出装置３Ｂと、演算処理部３Ｃとを有する。第１磁気検出装置３Ａは、第１多極磁石２Ａの回転に伴う磁界の変化に基づきセンサ信号を出力する第１磁気センサ部３１Ａを含む。第２磁気検出装置３Ｂは、第２多極磁石２Ｂの回転に伴う磁界の変化に基づきセンサ信号を出力する第２磁気センサ部３１Ｂを含む。

第１磁気センサ部３１Ａ及び第２磁気センサ部３１Ｂは、それぞれ、少なくとも１つの磁気検出素子を含み、直列に接続された一対の磁気検出素子を含んでいてもよい。この場合において、第１磁気センサ部３１Ａは、直列に接続された第１磁気検出素子対及び第２磁気検出素子対を含む第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａ及び第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａを有し、第２磁気センサ部３１Ｂは、直列に接続された第１磁気検出素子対及び第２磁気検出素子対を含む第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂ及び第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂを有する。なお、第１磁気センサ部３１Ａ及び第２磁気センサ部３１Ｂは、第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａ、第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａ、第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂ及び第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂのそれぞれに代えて、第１磁気検出素子対のみを含み、第２磁気検出素子対を含まないハーフブリッジ回路を有していてもよい。

図３に示すように、第１磁気センサ部３１Ａが有する第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａは、電源ポートＶ１１と、グランドポートＧ１１と、２つの出力ポートＥ１１１，Ｅ１１２と、直列に接続された第１の一対の磁気検出素子Ｒ１１１，Ｒ１１２と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子Ｒ１１３，Ｒ１１４とを含む。磁気検出素子Ｒ１１１，Ｒ１１３の各一端は、電源ポートＶ１１に接続される。磁気検出素子Ｒ１１１の他端は、磁気検出素子Ｒ１１２の一端と出力ポートＥ１１１とに接続される。磁気検出素子Ｒ１１３の他端は、磁気検出素子Ｒ１１４の一端と出力ポートＥ１１２とに接続される。磁気検出素子Ｒ１１２，Ｒ１１４の各他端は、グランドポートＧ１１に接続される。電源ポートＶ１１には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ１１はグランドに接続される。

図４に示すように、第１磁気センサ部３１Ａが有する第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａは、第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａと同様の構成を有し、電源ポートＶ１２と、グランドポートＧ１２と、２つの出力ポートＥ１２１，Ｅ１２２と、直列に接続された第１の一対の磁気検出素子Ｒ１２１，Ｒ１２２と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子Ｒ１２３，Ｒ１２４とを含む。磁気検出素子Ｒ１２１，Ｒ１２３の各一端は、電源ポートＶ１２に接続される。磁気検出素子Ｒ１２１の他端は、磁気検出素子Ｒ１２２の一端と出力ポートＥ１２１とに接続される。磁気検出素子Ｒ１２３の他端は、磁気検出素子Ｒ１２４の一端と出力ポートＥ１２２とに接続される。磁気検出素子Ｒ１２２，Ｒ１２４の各他端は、グランドポートＧ１２に接続される。電源ポートＶ１２には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ１２はグランドに接続される。

図５に示すように、第２磁気センサ部３１Ｂが有する第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂは、第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａと同様の構成を有し、電源ポートＶ２１と、グランドポートＧ２１と、２つの出力ポートＥ２１１，Ｅ２１２と、直列に接続された第１の一対の磁気検出素子Ｒ２１１，Ｒ２１２と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子Ｒ２１３，Ｒ２１４とを含む。磁気検出素子Ｒ２１１，Ｒ２１３の各一端は、電源ポートＶ２１に接続される。磁気検出素子Ｒ２１１の他端は、磁気検出素子Ｒ２１２の一端と出力ポートＥ２１１とに接続される。磁気検出素子Ｒ２１３の他端は、磁気検出素子Ｒ２１４の一端と出力ポートＥ２１２とに接続される。磁気検出素子Ｒ２１２，Ｒ２１４の各他端は、グランドポートＧ２１に接続される。電源ポートＶ２１には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ２１はグランドに接続される。

図６に示すように、第２磁気センサ部３１Ｂが有する第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂは、第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂと同様の構成を有し、電源ポートＶ２２と、グランドポートＧ２２と、２つの出力ポートＥ２２１，Ｅ２２２と、直列に接続された第１の一対の磁気検出素子Ｒ２２１，Ｒ２２２と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子Ｒ２２３，Ｒ２２４とを含む。磁気検出素子Ｒ２２１，Ｒ２２３の各一端は、電源ポートＶ２２に接続される。磁気検出素子Ｒ２２１の他端は、磁気検出素子Ｒ２２２の一端と出力ポートＥ２２１とに接続される。磁気検出素子Ｒ２２３の他端は、磁気検出素子Ｒ２２４の一端と出力ポートＥ２２２とに接続される。磁気検出素子Ｒ２２２，Ｒ２２４の各他端は、グランドポートＧ２２に接続される。電源ポートＶ２２には、所定の大きさの電源電圧が印加され、グランドポートＧ２２はグランドに接続される。

本実施形態において、第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａ、第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａ、第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂ及び第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂに含まれるすべての磁気検出素子Ｒ１１１〜Ｒ１２４，Ｒ２１１〜Ｒ２２４として、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子等のＭＲ素子や、ホール素子等の磁気検出素子を用いることができ、特にＴＭＲ素子を用いるのが好ましい。ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、印加される磁界の方向に応じて磁化方向が変化する自由層と、磁化固定層及び自由層の間に配置される非磁性層とを有する。

具体的には、図７に示すように、ＭＲ素子は、複数の下部電極４１と、複数のＭＲ膜５０と、複数の上部電極４２とを有する。複数の下部電極４１は、基板（図示せず）上に設けられている。各下部電極４１は細長い形状を有する。下部電極４１の長手方向に隣接する２つの下部電極４１の間には、間隙が形成されている。下部電極４１の上面における、長手方向の両端近傍にそれぞれＭＲ膜５０が設けられている。図８に示すように、ＭＲ膜５０は、平面視略円形状であり、下部電極４１側から順に積層された自由層５１、非磁性層５２、磁化固定層５３及び反強磁性層５４を含む。自由層５１は、下部電極４１に電気的に接続されている。反強磁性層５４は、反強磁性材料により構成され、磁化固定層５３との間で交換結合を生じさせることで、磁化固定層５３の磁化の方向を固定する役割を果たす。複数の上部電極４２は、複数のＭＲ膜５０上に設けられている。各上部電極４２は細長い形状を有し、下部電極４１の長手方向に隣接する２つの下部電極４１上に配置され、隣接する２つのＭＲ膜５０の反強磁性層５４同士を電気的に接続する。なお、ＭＲ膜５０は、上部電極４２側から順に自由層５１、非磁性層５２、磁化固定層５３及び反強磁性層５４が積層されてなる構成を有していてもよい。また、磁化固定層５３を、強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の積層フェリ構造とし、両強磁性層を反強磁性的に結合させてなる、いわゆるセルフピン止め型の固定層（Synthetic Ferri Pinned層，ＳＦＰ層）とすることで、反強磁性層５４が省略されていてもよい。

ＴＭＲ素子においては、非磁性層５２はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子においては、非磁性層５２は非磁性導電層である。ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子において、自由層５１の磁化の方向が磁化固定層５３の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°（互いの磁化方向が平行）のときに抵抗値が最小となり、１８０°（互いの磁化方向が反平行）のときに抵抗値が最大となる。

図３〜６において、磁気検出素子Ｒ１１１〜Ｒ１２４，Ｒ２１１〜Ｒ２２４がＴＭＲ素子又はＧＭＲ素子である場合、その磁化固定層５３の磁化方向を塗りつぶした矢印で表す。第１磁気センサ部３１Ａの第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａにおいて、磁気検出素子Ｒ１１１〜Ｒ１１４の磁化固定層５３の磁化方向は第１の方向Ｄ１に平行であって、磁気検出素子Ｒ１１１，Ｒ１１４の磁化固定層５３の磁化方向と、磁気検出素子Ｒ１１２，Ｒ１１３の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに反平行方向である。また、第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａにおいて、磁気検出素子Ｒ１２１〜Ｒ１２４の磁化固定層５３の磁化の方向は第１の方向Ｄ１に直交する第２の方向Ｄ２に平行であって、磁気検出素子Ｒ１２１，Ｒ１２４の磁化固定層５３の磁化方向と、磁気検出素子Ｒ１２２，Ｒ１２３の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに反平行である。

第２磁気センサ部３１Ｂの第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂにおいて、磁気検出素子Ｒ２１１〜Ｒ２１４の磁化固定層５３の磁化方向は第１の方向Ｄ１に平行であって、磁気検出素子Ｒ２１１，Ｒ２１４の磁化固定層５３の磁化方向と、磁気検出素子Ｒ２１２，Ｒ２１３の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに反平行方向である。また、第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂにおいて、磁気検出素子Ｒ２２１〜Ｒ２２４の磁化固定層５３の磁化の方向は第１の方向Ｄ１に直交する第２の方向Ｄ２に平行であって、磁気検出素子Ｒ２２１，Ｒ２２４の磁化固定層５３の磁化方向と、磁気検出素子Ｒ２２２，Ｒ２２３の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに反平行である。

第１磁気センサ部３１Ａ及び第２磁気センサ部３１Ｂにおいて、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの回転に伴う磁界の方向の変化に応じて、出力ポートＥ１１１，Ｅ１１２，Ｅ１２１，Ｅ１２２及び出力ポートＥ２１１，Ｅ２１２，Ｅ２２１，Ｅ２２２の電位差が変化し、磁界強度を表す信号としての第１−１センサ信号Ｓ_1-1、第１−２センサ信号Ｓ_1-2、第２−１センサ信号Ｓ_2-1及び第２−２センサ信号Ｓ_2-2が出力される。

差分検出器３３１Ａ，３３２Ａは、出力ポートＥ１１１，Ｅ１１２の電位差に対応する信号を第１−１センサ信号Ｓ_1-1として第１演算部３２Ａ及び第２演算部３２Ｂに出力する。差分検出器３３１Ｂ，３３２Ｂは、出力ポートＥ１２１，Ｅ１２２の電位差に対応する信号を第１−２センサ信号Ｓ_1-2として第１演算部３２Ａ及び第２演算部３２Ｂに出力する。差分検出器３３１Ｂは、出力ポートＥ２１１，Ｅ２１２の電位差に対応する信号を第２−１センサ信号Ｓ_2-1として演算処理部３Ｃに出力する。差分検出器３３２Ｂは、出力ポートＥ２２１，Ｅ２２２の電位差に対応する信号を第２−２センサ信号Ｓ_2-2として演算処理部３Ｃに出力する。

図３及び図４に示すように、第１−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ａにおける磁気検出素子Ｒ１１１〜Ｒ１１４の磁化固定層５３の磁化方向と、第１−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ａにおける磁気検出素子Ｒ１２１〜Ｒ１２４の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに直交する。この場合、第１−１センサ信号Ｓ_1-1の波形は、第１多極磁石２Ａの回転角度θ₁に依存したコサイン（Ｃｏｓｉｎｅ）波形になり、第１−２センサ信号Ｓ_1-2の波形は、第１多極磁石２Ａの回転角度θ₁に依存したサイン（Ｓｉｎｅ）波形になる。すなわち、第１−１センサ信号Ｓ_1-1は、第１ｃｏｓ信号ということができ、第１−２センサ信号Ｓ_1-2は、第１ｓｉｎ信号ということができる。

図５及び図６に示すように、第２−１ホイートストンブリッジ回路３１１Ｂにおける磁気検出素子Ｒ２１１〜Ｒ２１４の磁化固定層５３の磁化方向と、第２−２ホイートストンブリッジ回路３１２Ｂにおける磁気検出素子Ｒ２２１〜Ｒ２２４の磁化固定層５３の磁化方向とは、互いに直交する。この場合、第２−１センサ信号Ｓ_2-1の波形は、第２多極磁石２Ｂの回転角度θ₂に依存したコサイン（Ｃｏｓｉｎｅ）波形になり、第２−２センサ信号Ｓ_2-2の波形は、第２多極磁石２Ｂの回転角度θ₂に依存したサイン（Ｓｉｎｅ）波形になる。すなわち、第２−１センサ信号Ｓ_2-1は、第２ｃｏｓ信号ということができ、第２−２センサ信号Ｓ_2-2は、第２ｓｉｎ信号ということができる。

演算処理部３Ｃは、第１磁気センサ部３１Ａより出力された第１ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ₁）及び第１ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ₁）と、第２磁気センサ部３１Ｂより出力された第２ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ₂）及び第２ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ₂）とから、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的位相差Ｃ_PDを下記式（１）に基づき算出する位相差演算部３１Ｃと、相対的位相差Ｃ_PDに基づき入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂに発生するトルクを算出するトルク演算部３２Ｃとを有する。

式（１）中、Ｃ_PDは「相対的位相差」を表し、Ｓ_S1は「第１ｓｉｎ信号」を表し、Ｓ_C1は「第１ｃｏｓ信号」を表し、Ｓ_S2は「第２ｓｉｎ信号」を表し、Ｓ_C2は「第２ｃｏｓ信号」を表す。

ここで、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂのそれぞれの位相（回転角度）Ｐ_IN，Ｐ_OUTは、下記式（２）及び（３）により表される。

式（２）及び（３）中、Ｐ_INは「入力軸１０２Ａの位相」を表し、Ｐ_OUTは「出力軸１０２Ｂの位相」を表し、Ｓ_S1は「第１ｓｉｎ信号」を表し、Ｓ_C1は「第１ｃｏｓ信号」を表し、Ｓ_S2は「第２ｓｉｎ信号」を表し、Ｓ_C2は「第２ｃｏｓ信号」を表す。

入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的ねじれ角度Δθが０（ゼロ）である場合、式（１）により表される入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的位相差Ｃ_PDもまた０（ゼロ）となる。この場合、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂにトルクは発生しない。一方、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的ねじれ角度Δθが０（ゼロ）でない場合、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的位相差Ｃ_PDは、下記式（４）により表される。

ここで、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的ねじれ角度Δθが十分に小さいとき（例えば、Δθが１０°以下のとき、好ましくは５°以下のとき）、ｓｉｎθ₁はθ₁に近似することができるため、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的位相差Ｃ_PDと相対的ねじれ角度Δθとは、上記式（４）に示す所定の相関関係を有することになる。

そのため、位相差演算部３１Ｃにより、第１磁気センサ部３１Ａより出力された第１ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ₁）及び第１ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ₁）と、第２磁気センサ部３１Ｂより出力された第２ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ₂）及び第２ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ₂）とから、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的位相差Ｃ_PDを算出することで、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的位相差Ｃ_PDと相対的ねじれ角度Δθとの間の相関関係（式（４））に基づき、相対的ねじれ角度Δθが求められ得る。そして、当該相対的ねじれ角度Δθに基づき、トルク演算部３２Ｃにより入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂに発生するトルクが算出され得る。なお、相対的ねじれ角度Δθは、相対的位相差Ｃ_PDと相対的ねじれ角度Δθとの間の相関関係を表すテーブル等を予め準備しておき、当該テーブル等を参照することによって求められてもよい。

トルク演算部３２Ｃは、上記相関関係（式（４））から求められた相対的ねじれ角度Δθに基づき、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂに発生するトルクを算出する。すなわち、トーションバー１０２Ｃを介して連結される入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的ねじれ角度Δθが得られれば、トーションバー１０２Ｃの断面二次極モーメント、横弾性係数、長さ、径等を用いて周知の演算方法によってトルクが演算され得る。

なお、演算処理部３Ｃは、位相差演算部３１Ｃ及びトルク演算部３２Ｃとともに、図示しない記憶部をさらに有していてもよい。この記憶部は、トルク演算部３２Ｃにて算出された入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂに発生するトルク、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的位相差Ｃ_PDと相対的ねじれ角度Δθとの間の相関関係を表すテーブル等を記憶する。演算処理部３Ｃは、相対的位相差Ｃ_PD、相対的ねじれ角度Δθ及びトルクの演算処理を実現可能な、例えば、マイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等により構成され得る。

上記構成を有するトルクセンサ１において、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの回転に伴い第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂが回転すると、第１多極磁石２Ａ及び第２多極磁石２Ｂの磁界が変化する。その磁界の変化に応じて第１磁気センサ部３１Ａ及び第２磁気センサ部３１Ｂの磁気検出素子Ｒ１１１〜Ｒ１２４，Ｒ２１１〜Ｒ２２４の抵抗値が変化し、それぞれの出力ポートＥ１１１，Ｅ１１２，Ｅ１２１，Ｅ１２２，Ｅ２１１，Ｅ２１２，Ｅ２２１，Ｅ２２２の電位差に応じて第１ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ₁）及び第１ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ₁）と、第２ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ₂）及び第２ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ₂）とが出力される。そして、位相差演算部３１Ｃにより入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂの相対的位相差Ｃ_PDが演算され、相対的位相差Ｃ_PDとの相関関係から求められた相対的ねじれ角度Δθに基づき、トルク演算部３２Ｃによりトルクが算出される。

このように、本実施形態に係るトルクセンサ１によれば、演算処理部３Ｃによる逆正接（ａｔａｎ）演算処理を行うことなくトルクを算出することができるため、演算処理回路の回路規模を大きくする必要がなく、トルクセンサ１における消費電力を小さくすることができる。また、多くのクロック数がかかる逆正接（ａｔａｎ）演算処理を行う必要がないため、トルクを極めて短時間で算出することができる。

次に、本実施形態に係る回転角度検出装置を用いた電動パワーステアリング装置の構成について説明する。図９は、本実施形態に係るトルクセンサを用いた電動パワーステアリング装置の概略構成図である。

電動パワーステアリング（Electric Power-Assisted Steering）装置１００は、ステアリングホイール１０１と、ステアリングシャフト１０２と、本実施形態に係るトルクセンサ１と、第１ユニバーサルジョイント１０３と、ロアシャフト１０４と、第２ユニバーサルジョイント１０５と、ピニオンシャフト１０６と、ステアリングギヤ１０７と、タイロッド１０８と、ナックルアーム１０９とを備える。ナックルアーム１０９は、車両の前輪１１０Ｒ，１１０Ｌのそれぞれに取り付けられている。

運転者がステアリングホイール１０１を操舵した操舵力は、ステアリングシャフト１０２に伝達される。ステアリングシャフト１０２は、入力軸１０２Ａと出力軸１０２Ｂとを有する。入力軸１０２Ａの一端はステアリングホイール１０１に連結され、他端はトルクセンサ１を介して出力軸１０２Ｂの一端に連結されている。したがって、ステアリングシャフト１０２の出力軸１０２Ｂに伝達された操舵力は、第１ユニバーサルジョイント１０３を介してロアシャフト１０４に伝達され、第２ユニバーサルジョイント１０５を介してピニオンシャフト１０６に伝達される。ピニオンシャフト１０６に伝達された操舵力はステアリングギヤ１０７を介してタイロッド１０８に伝達され、タイロッド１０８に伝達された操舵力はナックルアーム１０９に伝達され、前輪を転舵させる。

ステアリングシャフト１０２の出力軸１０２Ｂには、操舵補助力を出力軸１０２Ｂに伝達する操舵補助機構１１１が連結されている。操舵補助機構１１１は、出力軸１０２Ｂに連結する、ウォームギヤ機構等で構成される減速ギヤ１１２と、減速ギヤ１１２に連結されて操舵補助力を発生する電動モータ１１３と、電動モータ１１３のハウジングに固定支持された電動パワーステアリング（ＥＰＳ）制御ユニット１１４とを備えている。

車両の運転者によってステアリングホイール１０１が操舵され、この操舵力がステアリングシャフト１０２に伝達されると、入力軸１０２Ａが操舵方向と対応する方向に回転する。この回転に伴い、トーションバー１０２Ｃの入力軸１０２Ａ側の端部が回転し、トーションバー１０２Ｃの入力端に設けられた第１多極磁石２Ａが回転する。第１多極磁石２Ａの回転に伴う磁界の変化に応じて第１磁気センサ部３１Ａの磁気検出素子Ｒ１１１〜Ｒ１２４の抵抗値が変化し、それぞれの出力ポートＥ１１１，Ｅ１１２，Ｅ１２１，Ｅ１２２の電位差に応じて第１ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ₁）及び第１ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ₁）が演算処理部３Ｃに出力される。

一方、入力軸１０２Ａを回転させる操舵力は、トーションバー１０２Ｃのねじれ（弾性変形）を介して出力軸１０２Ｂ側の端部へと伝達され、出力軸１０２Ｂが回転する。すなわち、入力軸１０２Ａ及び出力軸１０２Ｂが回転方向に相対変位する。これにより、トーションバー１０２Ｃの出力端に設けられた第２多極磁石２Ｂが回転する。第２多極磁石２Ｂの回転に伴う磁界の変化に応じて第２磁気センサ部３１Ｂの磁気検出素子Ｒ２１１〜Ｒ２２４の抵抗値が変化し、それぞれの出力ポートＥ２１１，Ｅ２１２，Ｅ２２１，Ｅ２２２の電位差に応じて第２ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ₂）及び第２ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ₂）が演算処理部３Ｃに出力される。

演算処理部３Ｃの位相差演算部３１Ｃは、第１ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ₁）、第１ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ₁）、第２ｃｏｓ信号（Ｃｏｓθ₂）及び第２ｓｉｎ信号（Ｓｉｎθ₂）より相対的位相差Ｃ_PDを算出し、所定の相関関係から相対的ねじれ角度Δθを算出する。そして、トルク演算部３２Ｃは、相対的ねじれ角度Δθに基づき、トルクを算出する。トルク演算部３２Ｃにより算出されたトルクは、ＥＰＳ制御ユニット１１４に出力され、ＥＰＳ制御ユニット１１４は、トルク演算部３２Ｃからのトルク値、車速センサからの車速、電動モータからのモータ回転角度に基づいて、電流指令値を算出する。そして、その電流指令値に応じた３相交流電流が生成されて電流モータに供給し、電動モータに操舵補助力を発生させる。

上述した構成を有する電動パワーステアリング装置１００においては、操舵補助力を発生させるために必要なトルク値が、本実施形態に係るトルクセンサ１にて算出される。かかるトルクセンサ１においては、演算処理部３Ｃによる逆正接（ａｔａｎ）演算処理を行うことなくトルク値を算出することができ、小さい消費電力にて、極めて短時間で当該トルク値を算出することができる。そのため、本実施形態における電動パワーステアリング装置１００によれば、運転者によるステアリングホイール１０１の操舵に応じて適格な操舵補助力を発生させ得る。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

１…トルクセンサ
２Ａ…第１多極磁石（第１磁界発生部）
２Ｂ…第２多極磁石（第２磁界発生部）
３…磁気検出装置
３Ａ…第１磁気検出装置
３１Ａ…第１磁気センサ部
３Ｂ…第２磁気検出装置
３１Ｂ…第２磁気センサ部
３Ｃ…演算処理部（演算処理装置）
３１Ｃ…位相差演算部
３２Ｃ…トルク演算部
１００…電動パワーステアリング装置
１０２Ａ…入力軸（第１回転軸）
１０２Ｂ…出力軸（第２回転軸）
１０２Ｃ…トーションバー
１１３…電動モータ（動力発生部）
１１４…ＥＰＳ制御ユニット（制御部）

Claims (6)

1. トーションバーを介して連結され、同軸上に配置される第１回転軸及び第２回転軸に発生するトルクを、前記第１回転軸の回転に伴って第１磁気センサ素子から出力される第１正弦波信号及び第１余弦波信号を含む第１出力信号と、前記第２回転軸の回転に伴って第２磁気センサ素子から出力される第２正弦波信号及び第２余弦波信号を含む第２出力信号とを用いて算出する演算処理装置であって、
   前記第１出力信号及び前記第２出力信号から、前記第１回転軸及び前記第２回転軸の相対的位相差を下記式（１）に基づいて算出する位相差演算部と、
   前記位相差演算部により算出される前記相対的位相差との間の相関関係に基づいて求められる、前記第１回転軸及び前記第２回転軸の回転角度の差分として表される相対的ねじれ角度から、前記トルクを算出するトルク演算部と
   を備えることを特徴とする演算処理装置。
   

   

   式（１）中、Ｃ_PDは「相対的位相差」を表し、Ｓ_S1は「第１正弦波信号」を表し、Ｓ_C1は「第１余弦波信号」を表し、Ｓ_S2は「第２正弦波信号」を表し、Ｓ_C2は「第２余弦波信号」を表す。
2. 前記相対的ねじれ角度と前記相対的位相差との相関関係を予め記憶する記憶部をさらに備え、
   前記トルク演算部は、前記位相差演算部により算出される前記相対的位相差と前記記憶部に記憶されている前記相関関係とに基づいて求められる前記相対的ねじれ角度から、前記トルクを算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の演算処理装置。
3. 前記相対的ねじれ角度が１０°以下である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の演算処理装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の演算処理装置と、
   前記第１回転軸に設けられ、前記第１回転軸と一体的に回転する第１磁界発生部と、
   前記第２回転軸に設けられ、前記第２回転軸と一体的に回転する第２磁界発生部と、
   前記第１磁気センサ素子及び前記第２磁気センサ素子を有する磁気センサ部と
   を備え、
   前記第１磁界発生部及び前記第２磁界発生部は、周方向に異なる磁極が交互に配列されてなる多極磁石であり、
   前記第１磁気センサ素子は、前記第１磁界発生部から発生する磁界に応じて前記第１出力信号を出力し、
   前記第２磁気センサ素子は、前記第２磁界発生部から発生する磁界に応じて前記第２出力信号を出力する
   ことを特徴とするトルクセンサ。
5. 前記第１磁気センサ素子及び前記第２磁気センサ素子のそれぞれは、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＡＭＲ素子又はホール素子である
   ことを特徴とする請求項４に記載のトルクセンサ。
6. ステアリングの操舵機構に動力を与えて前記ステアリングの操舵力を補助する動力発生部と、
   請求項４又は５に記載のトルクセンサと、
   前記トルクセンサにより検出された前記トルクに応じて前記動力発生部を駆動させる制御部と
   を備えることを特徴とするステアリング装置。

Images