JP3309604B2

JP3309604B2 - トルクセンサ

Info

Publication number: JP3309604B2
Application number: JP30273194A
Authority: JP
Inventors: 浩一佐藤; 一穂力石
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1994-11-14
Filing date: 1994-11-14
Publication date: 2002-07-29
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: KR100355885B1; DE19542405A1; JPH08136366A; US5641916A; KR960017409A; DE19542405C2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、トルクセンサに関
し、特に、トルク検出用のコイルを有して車両のパワー
ステアリング装置等に好適なトルクセンサについて、コ
イルの接続不良等の異常を検出可能としたものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の技術として、特開平６−
８８７５７号公報に開示されたものがある。従来のこの
トルクセンサは、トルク検出用コイルと温度補償用のコ
イルとに発振電圧を与え、これらのコイルからの検出電
圧を差動増幅してトルクを検出するトルクセンサにおい
て、抵抗分圧によって発生した基準電圧を順方向にダイ
オードを介して差動入力の一方に印加するものである。
このようなトルクセンサでは、発振回路が故障してコイ
ルに与える発振電圧が消滅し、これに伴って検出電圧が
基準電圧以下になると、差動入力の一方が基準電圧に保
たれるので差動入力のバランスが崩れる。そして、差動
増幅後の出力が強制的に所定範囲外に変化する。これに
より、発振回路の故障を差動増幅後の出力によって検出
することが可能となる。単にコイルからの検出電圧を差
動増幅して出力するだけでは、発振電圧が消滅した場合
に、差動入力の双方が共に低下するため、差動増幅後の
出力によっては発振電圧の異常が判定できないのであ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】確かに、上記従来のト
ルクセンサによれば、発振回路の故障による発振電圧の
消滅は、差動増幅回路の出力によって検出することがで
きるようになった。しかしながら、トルクセンサの異常
には種々のものがあり、発振回路の故障以外にも、やは
り差動入力の双方が共に揃って変化するため単なる差動
増幅後の出力によっては異常が検出できないものがあ
る。例えば、コイルと発振回路等の間に設けられたコネ
クタが外れたとき、コイルを保持したコイルヨークの回
転等に起因してコイルのリード線が切れたとき、コイル
の装填等の組み立て時にコイルのリード線が切れたとき
等の異常状態がある。このような場合、双方のコイル
が、未接続の状態となり、電気的には無限大のインダク
タンスが接続されたのと等価になる。そして、この状態
で発振電圧が供給されると発振電圧がそのままの大きさ
で検出されて検出電圧は共に大きな値のものとなること
から、このときの一対の検出電圧を差動増幅してもその
出力には異常は現れない。しかも、発振電圧の供給がな
されていることから、このような異常状態については、
発振電圧の消滅に基礎を置く上記従来のトルクセンサに
よっては検出することができない。このため、差動増幅
回路の出力を受ける制御回路等においては、差動増幅回
路の出力を監視するだけでは、トルクセンサにそのよう
な異常が在るか否かを判定することができないという問
題点がある。

【０００４】本発明はこのような従来の技術が有する未
解決の課題に着目してなされたものであって、コイルの
接続不良その他の異常であって一対の検出電圧が同様に
変化する異常があることを差動増幅回路の出力によって
判定することができるトルクセンサを提供することを目
的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のトルクセンサは、トルクに応じて互いに逆
方向にインダクタンスが変化する一対のコイルと、該一
対のコイルに誘導される一対の検出電圧を受けて差動増
幅する差動増幅回路とを有し、該差動増幅回路の出力に
より前記トルクを検出するトルクセンサにおいて、前記
一対の検出電圧の何れか一方を入力とし該入力が所定の
上限値を超えたとき及び所定の下限値を下回ったときに
検出信号を送出する検出回路と、該検出回路の検出信号
を受けると前記差動増幅回路の出力が定常出力範囲外の
所定の値になるように前記差動増幅回路を制御する制御
回路とを備えたものである。

【０００６】なお、所定の上限値は、検出回路の入力と
される検出電圧の正常変化範囲の上限値、又はこれより
大きな値に設定される。また、所定の下限値は、前述の
正常変化範囲の下限値、又はこれより小さな値に設定さ
れる。

【０００７】

【作用】このような構成の本発明のトルクセンサは、コ
イルリード線の断線等によるコイルの接続不良がある
と、以下のように作用する。先ず、双方のコイルが未接
続の状態であると、本来コイルが接続されるべき回路側
から見ると無限大のインダクタンスを持つコイルが接続
された状態と等価になる。すなわち、トルクに応じてコ
イルのインダクタンスが変化しうる本来の範囲を超えて
両コイルのインダクタンスが大きく変化したかの如くな
る。そして、このことに対応して一対の検出電圧は双方
が共に揃って正常値を超えた大きな値のものとなる。こ
れに対し、この発明では、上述の検出回路を備えること
から、トルクの検出電圧が所定の上限値を超えて異常に
大きくなったとき等には、この検出回路によって検出信
号が制御回路に送出される。そして、この制御回路によ
って差動増幅回路の出力が強制的に定常出力範囲外の所
定の値に変化させられる。そこで、コイルの接続不良が
あると、その異常状態が差動増幅後の出力に反映され
て、差動増幅回路の出力が所定範囲外のものとなる。こ
れにより、差動増幅回路の出力を受ける制御回路等で
は、差動増幅回路の出力が所定の範囲内か否かに応じ
て、トルクセンサにそのような異常が在るか否かを判定
することが可能となる。

【０００８】したがって、本発明のトルクセンサは、コ
イルの接続不良その他の異常であって一対の検出電圧が
同様に変化する異常があることを差動増幅回路の出力に
よって判定することができるものである。

【０００９】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１は、本発明の一実施例について、その全体
構成を示す断面図である。これは、本発明に係るトルク
センサを、車両用の電動パワーステアリング装置に適用
した例であり、操舵系に発生する操舵トルクを検出する
トルクセンサに適用したものである。より具体的には、
操舵トルクに応じて発生する回転変位を軸方向の直線変
位に変換し、この変位に対応してコイルのインダクタン
スが変化することを利用して、操舵トルクを電気信号と
して検出するものである。

【００１０】先ず、機械的な構成を説明すると、ハウジ
ング１内には、トーションバー４を介して連結された入
力軸２及び出力軸３が、軸受５ａ，５ｂ及び５ｃによっ
て回転自在に支持されている。ただし、入力軸２，出力
軸３及びトーションバー４は、同軸に配置されている。
入力軸２の図示しない図１右端側には、ステアリングホ
イールが回転方向に一体に取り付けられており、また、
出力軸３の図示しない図１左端側には、例えば公知のラ
ックアンドピニオン式ステアリング装置を構成するピニ
オン軸が連結されている。従って、操縦者がステアリン
グホイールを操舵することによって発生した操舵力は、
入力軸２，トーションバー４，出力軸３及びラックアン
ドピニオン式ステアリング装置を介して、図示しない転
舵輪に伝達される。

【００１１】また、出力軸３の右端面縁部分の周方向の
所定の位置には、入力軸２側に突出した凸部３ａが形成
されていて、この凸部３ａは、入力軸２の左端部外周面
に形成された凸部３ａよりも幅広の縦溝２ａに挿入され
ている。これにより、入力軸２及び出力軸３間の所定範
囲（例えば±５度程度）以上の相対回転を防止してい
る。

【００１２】そして、出力軸３には、出力軸３と同軸且
つ一体に回転するウォームホイール６が外嵌し、このウ
ォームホイール６に、電動モータ７の出力軸７ａ外周面
に形成されたウォーム７ｂが噛み合っている。従って、
電動モータ７の回転力は、その出力軸７ａ，ウォーム７
ｂ及びウォームホイール６を介して出力軸３に伝達され
るようになっており、電動モータ７の回転方向を適宜切
り換えることにより、出力軸３に任意の方向の操舵補助
トルクが付与されるようになっている。

【００１３】さらに、入力軸２には、入力軸２に対して
軸方向及び回転方向への相対変位が自在な円筒形のスラ
イダ８が外嵌し、そのスライダ８の左端部には、凸部３
ａに近接する円筒形のクロスガイド９の端部が結合され
ている。そして、クロスガイド９内周面の凸部３ａに対
向する部分には軸方向に長い縦溝９ａが形成されてお
り、その縦溝９ａには、内端が凸部３ａに圧入され径方
向外側に突出したピン３ｂの外端が挿入されている。

【００１４】従って、出力軸３及びスライダ８は、回転
方向には一体であるが、軸方向には縦溝９ａの長さの範
囲において相対変位が可能となっている。スライダ８
は、スプリング１０によって図１右方に常時付勢される
ようになっている。ただし、縦溝９ａから周方向に約１
８０度離隔したクロスガイド９内周面に形成された凹部
９ｂに転動可能に収容されたボール１１が、入力軸２の
左端側外周面に形成された周方向に連続する溝２ｃにも
入り込んでいるため、スライダ８の軸方向への移動は規
制されている。そして、溝２ｃは、軸に対して若干傾斜
しているため、入力軸２及び出力軸３間にトーションバ
ー４の捩じれを伴って相対回転が生じ、入力軸２に対す
るスライダ８の回転方向位置が変化すると、溝２ｃに沿
ってボール１１が軸方向に移動し、これによってスライ
ダ８が軸方向に移動するようになっている。

【００１５】本実施例のスライダ８は、磁性材料（例え
ば、鉄）製であって、その外周面の軸方向中央部分には
軸方向の所定距離に渡る大径部８ａが形成されている。
そして、その大径部８ａを軸方向の両側から挟み込むよ
うに、導電性で且つ非磁性の材料（例えば、アルミニウ
ム）製の比較的肉薄のリング部材１２及び１３がスライ
ダ８に外嵌している。なお、リング部材１２及び１３は
同一の部材であって、大径部８ａ両端の段差を埋めるよ
うな厚みを有している。

【００１６】これにより、スライダ８の外周面には、導
電性で且つ非磁性の材料からなる領域（リング部材１
２，１３）と、磁性材料からなる領域（大径部８ａ）と
が形成されている。さらに、ハウジング１の内周面に
は、スライダ８の外周面を包囲するように、軸方向に離
隔した同規格の一対のコイル１５及び１６が配設されて
いる。具体的には、コイル１５及び１６は、ボビン１７
の内周面に同軸に保持されていて、そのボビン１７がハ
ウジング１の内周面に圧入されている。

【００１７】スライダ８が進退範囲の中立位置（操舵ト
ルクが零の位置）にある時の、スライダ８及びコイル１
５，１６の配置関係を拡大した図２に示すように、大径
部８ａの軸方向の中心位置ａが、コイル１５及び１６間
の中心に位置し、リング部材１２及び１３の軸方向外側
の端面位置ｂ₁，ｂ₂が、それぞれコイル１５及び１６
の軸方向外側端部よりも外側に位置し、大径部８ａ及び
リング部材１２の境界位置ｃ₁がコイル１５の内側に位
置し、大径部８ｂ及びリング部材１３の境界位置ｃ₂が
コイル１６の内側に位置するようになっている。

【００１８】そして、本実施例では、リング部材１２及
び１３の軸方向寸法（ｂ₁−ｃ₁，ｂ₂−ｃ₂）は、ス
ライダ８の進退範囲の全域に渡って、端面位置ｂ₁，ｂ
₂が常にコイル１５及び１６の軸方向外側端部よりも外
側に位置し、境界位置ｃ₁が常にコイル１５の内側に位
置し、境界位置ｃ₂が常にコイル１６の内側に位置する
ようになっている。具体的には、スライダ８が中立位置
にある時のコイル１５及び１６の軸方向外側の端面位置
を、リング部材１２又は１３の軸方向の中心位置に合わ
せるとともに、その端面位置からリング部材１２及び１
３の両端部位置までの距離を、スライダ８の中立位置か
らの最大進退距離よりも長くすることにより、上述した
寸法関係を満足するようにしている。

【００１９】ハウジング１にはセンサケースカバー２０
が固定されており、このセンサケース内に回路基板２１
が収容され、そして、この回路基板２１にはトルクセン
サの回路部分が搭載されている。また、コイル１５及び
１６はそのコイルリード線１５ａ，１６ａがコネクタ２
２に接続されており、このコネクタ２２が回路基板２１
上の対応するコネクタに挿着等されている。これによ
り、操舵トルク等のトルクに応じてインダクタンスが変
化する一対のコイル１５及び１６が、コネクタ２２を介
してトルクセンサの回路に接続される。

【００２０】次に、このトルクセンサの回路構成につい
て説明する。図３にそのブロック図を示すが、トルクセ
ンサの回路部分３０は、所定周波数の交流電流をコイル
１５，１６に供給するための発振回路３１と、コイル１
５の自己誘導起電力による電圧信号を整流及び平滑して
出力する整流・平滑回路３２と、コイル１６の自己誘導
起電力による電圧信号を整流及び平滑して出力する整流
・平滑回路３３と、整流・平滑回路３２の出力及び整流
・平滑回路３３の出力の差を増幅して出力する差動アン
プ（差動増幅回路）３４，３６と、その差動アンプ３４
の出力に含まれる外部からのノイズ成分を除去するノイ
ズ除去フィルタ３５と、差動アンプ３６の出力に含まれ
る外部からのノイズ成分を除去するノイズ除去フィルタ
３７と、整流・平滑回路３２の出力電圧を入力としこの
入力値が所定の入力範囲外のとき異常検出信号を送出す
る異常検出回路（検出回路）１００と、異常検出信号の
送出を受けて差動アンプ３４の出力を強制的に定常出力
範囲外の所定のローレベルの値に変化させるアンプ制御
回路（制御回路）１１０とを備えるものである。

【００２１】詳述すると、発振回路３１は、例えば周波
数が数ＫＨｚで振幅が数Ｖの発振電圧Ａを発生するもの
であり、この発振電圧Ａは、電流制限用抵抗Ｒ１５とコ
ネクタ２２とを介してコイル１５に供給されるととも
に、電流制限用抵抗Ｒ１６とコネクタ２２とを介してコ
イル１６に供給される。これによりコイル１５に交流電
流が流れると、コイル１５に自己誘導起電力が発生する
が、この起電力による電圧Ｂは、抵抗Ｒ１５のコイル１
５側端子電圧として検出され、発振電圧Ａが抵抗Ｒ１５
の抵抗値とコイル１５のインダクタンスとの比で分圧さ
れた電圧に一致する。すなわち、発振電圧Ｂは、その振
幅が概ね発振電圧Ａの数分の１であって、コイル１５の
インダクタンスの変化に応じて振幅の変化するものであ
る。同様に、抵抗Ｒ１６のコイル１６側端子電圧として
検出される発振電圧Ｂ’は、その振幅が概ね発振電圧Ａ
の数分の１であって、コイル１６のインダクタンスの変
化に応じて振幅の変化するものである。もっとも、コネ
クタ２２が回路基板２１から離脱してしまったような場
合には、コイル１５と抵抗Ｒ１５との接続およびコイル
１６と抵抗Ｒ１６との接続が断たれることから、抵抗Ｒ
１５，Ｒ１６とコイル１５，１６とを介する交流電流が
流れない。そこで、抵抗Ｒ１５，Ｒ１６の一端に供給さ
れた発振電圧Ａは分圧されることなく、抵抗Ｒ１５，Ｒ
１６の他端に伝えられる。そして、この場合における発
振電圧Ｂ，発振電圧Ｂ’は、発振電圧Ａにほぼ一致す
る。つまり、コネクタ２２の接続が正常な場合における
電圧の数倍となる。

【００２２】整流・平滑回路３２は、発振電圧Ｂの信号
を入力とし、これをその平均電圧が所定の基準電圧Ｖ_RE
となるようにクランプするクランプ回路と、クランプ回
路の出力を全波整流する全波整流回路と、全波整流回路
の出力を平滑して出力する平滑回路とを具備し、平滑回
路の出力を検出電圧Ｃとして出力する。ここで、上記の
基準電圧Ｖ_REは、通常差動アンプ３４等の動作点電圧に
対応して、例えば電源電圧Ｖccの半分の（Ｖcc／２）が
採用される。これにより、基準電圧Ｖ_REを基準として、
発振電圧Ｂの振幅に対応した電圧信号が求まる。すなわ
ち、コイル１５のインダクタンスに対応した値の検出電
圧Ｃが得られる。この検出電圧Ｃは、差動アンプ３４，
３６の反転側入力信号とされる。

【００２３】また、整流・平滑回路３３は、発振電圧
Ｂ’を入力とし検出電圧Ｃ’を出力すること以外は、整
流・平滑回路３２と同様の構成である。そこで、基準電
圧Ｖ_REを基準として、発振電圧Ｂの振幅に対応した電圧
信号が求まる。すなわち、コイル１６のインダクタンス
に対応した値の検出電圧Ｃ’が得られる。この検出電圧
Ｃ’は、差動アンプ３４，３６の非反転側入力信号とさ
れる。

【００２４】差動アンプ３４は、例えばオペアンプ３４
ａを主体として構成される。その詳細は図４に示すが、
オペアンプ３４ａは、出力と反転入力端子間に負帰還抵
抗Ｒf が接続され、検出電圧Ｃ’のラインが抵抗Ｒs を
介して反転入力端子に接続され、検出電圧Ｃのラインが
抵抗Ｒc を介して非反転入力端子に接続されたものであ
る。さらに、オペアンプ３４ａは、基準電圧Ｖ_REのライ
ンが抵抗Ｒi を介して非反転入力端子に接続されてい
る。これにより、差動アンプ３４は、基準電圧Ｖ_REを基
準として動作し、基準電圧Ｖ_REを基準とする検出電圧Ｃ
と検出電圧Ｃ’との差を増幅する差動増幅回路として機
能する。差動アンプ３４の出力Ｄは、トルクの検出信号
として、ノイズ除去フィルタ３５を介して、モータ制御
回路４０に送出される。

【００２５】ノイズ除去フィルタ３５は、コンデンサ３
５ａとコイル３５ｂとが差動アンプ３４の出力Ｄのライ
ンに直列に挿入接続されたものである。ここで、コンデ
ンサ３５ａはノイズ除去用の３端子のものであり、第３
の端子はセンサケース２０等に接続されている。これに
より、主に外部から差動アンプ３４の出力Ｄのラインに
重畳してくるノイズ成分が除去される。

【００２６】また、差動アンプ３６及びノイズ除去フィ
ルタ３７は、差動アンプ３４及びノイズ除去フィルタ３
５と同様の構成及び機能であり、差動アンプ３６の出力
Ｄ’が、やはりトルク検出信号としてノイズ除去フィル
タ３７を介してモータ制御回路４０に送出される。これ
により、トルクセンサの回路３０においては差動アンプ
以降の回路が二重になり、差動アンプ３４，３６の出力
Ｄ，Ｄ’が共にモータ制御回路４０に送出される。出力
Ｄ，Ｄ’は、トルクセンサの回路３０における差動アン
プ以降の回路が正常なときには、値が一致する。

【００２７】異常検出回路１００は、整流・平滑回路３
２の出力すなわち検出電圧Ｃのラインと接地ＧＮＤとの
間で順に直列に接続された抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０２，Ｒ
１０３と、反転入力端子が抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０２の接
続点に接続され非反転入力端子が基準電圧Ｖ_REのライン
に接続されコンパレータとして動作するオペアンプ１０
１と、非反転入力端子が抵抗Ｒ１０２，Ｒ１０３の接続
点に接続され反転入力端子が基準電圧Ｖ_REのラインに接
続されコンパレータとして動作するオペアンプ１０２
と、オペアンプ１０１の出力ラインに対し順方向直列に
挿入接続されたダイオードＤ１０１と、オペアンプ１０
２の出力ラインに対し順方向直列に挿入接続されたダイ
オードＤ１０２ととから構成される。そして、ダイオー
ドＤ１０１のカソードとダイオードＤ１０２のカソード
との接続点に、異常検出信号Ｅの出力ラインが接続され
ている。

【００２８】アンプ制御回路１１０は、ダイオードＤ１
０１のカソードとダイオードＤ１０２のカソードとの接
続点に電流制限用抵抗を介してベースが接続されコレク
タがオペアンプ３４ａの非反転入力端子に接続されエミ
ッタが接地されたスイッチング用ＮＰＮトランジスタ１
１１によって構成される。アンプ制御回路１１０は、オ
ペアンプ３４ａの非反転入力端子に接続されたトランジ
スタ１１１のコレクタラインを介してアンプ制御信号Ｆ
を差動アンプ３４に送出して、差動アンプ３４の出力を
制御する。

【００２９】ここで、スライダ８がその中立位置から定
常動作範囲における一方の最大進退距離まで移動してコ
イル１５のインダクタンスが最も大きくなったときの検
出電圧Ｃの値をＣ_MAXとし、スライダ８がその中立位置
から定常動作範囲における他方の最大進退距離まで移動
してコイル１５のインダクタンスが最も小さくなったと
きの検出電圧Ｃの値をＣ_MINとし、さらに温度変化等の
変動分を考慮して、定常状態における検出電圧Ｃの範囲
についての上限値Ｄ_MAXを値Ｃ_MAXより僅かに大きな値
に採り、下限値Ｄ_MINを値Ｃ_MINより僅かに小さな値に
採る。そして、抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０２，Ｒ１０３の値
は、検出電圧Ｃが上限値Ｄ_MAXのときに抵抗Ｒ１０２と
抵抗Ｒ１０３との接続点に発生する電圧が基準電圧Ｖ_RE
となり、検出電圧Ｃが下限値Ｄ_MINのときに抵抗Ｒ１０
２と抵抗Ｒ１０３との接続点に発生する電圧が基準電圧
Ｖ_REとなるように、それぞれの抵抗値が決められる。

【００３０】これにより、検出電圧Ｃが所定の上限値Ｄ
_MAXを超えると、抵抗Ｒ１０２と抵抗Ｒ１０３との接続
点に発生する電圧が基準電圧Ｖ_REより大きくなって、オ
ペアンプ１０２の出力がハイレベルとなる。そして、こ
のオペアンプ１０２の出力がダイオードＤ１０２を介し
てトランジスタ１１１のベースに伝えられる。すなわ
ち、有意の検出信号Ｅが送出される。これを受けてトラ
ンジスタ１１１がオンする。なお、このときトランジス
タ１１１のベース電圧はダイオードＤ１０１の存在によ
りオペアンプ１０１の出力の影響を受けない。トランジ
スタ１１１がオンすると、トランジスタ１１１のコレク
タラインすなわちアンプ制御信号Ｆのラインが接地ＧＮ
Ｄに導通し、オペアンプ３４ａの非反転入力が強制的に
接地された状態となる。そこで、この場合は、差動アン
プ３４の出力が強制的に出力限界のローレベルに変化す
る。つまり、検出電圧Ｃが所定の上限値Ｄ_MAXを超える
と、異常検出回路１００及びアンプ制御回路１１０によ
って、差動アンプ３４の出力が強制的に定常出力範囲外
のローレベルに変化させられる。

【００３１】一方、検出電圧Ｃが所定の下限値Ｄ_MINを
下回ると、抵抗Ｒ１０１と抵抗Ｒ１０２との接続点に発
生する電圧が基準電圧Ｖ_REより小さくなって、オペアン
プ１０１の出力がハイレベルとなる。そして、このオペ
アンプ１０１の出力がダイオードＤ１０１を介してトラ
ンジスタ１１１のベースに伝えられる。すなわち、この
場合も、有意の検出信号Ｅが送出される。これを受けて
トランジスタ１１１がオンする。なお、このときトラン
ジスタ１１１のベース電圧はダイオードＤ１０２の存在
によりオペアンプ１０２の出力の影響を受けない。トラ
ンジスタ１１１がオンすると、同様にアンプ制御信号Ｆ
のラインが接地ＧＮＤに導通して、オペアンプ３４ａの
非反転入力が強制的に接地された状態となり、この場合
も、やはり差動アンプ３４の出力が強制的に出力限界の
ローレベルに変化する。つまり、検出電圧Ｃが所定の下
限値Ｄ_MINを下回った場合も、異常検出回路１００及び
アンプ制御回路１１０によって、差動アンプ３４の出力
が強制的に定常出力範囲外のローレベルに変化させられ
る。

【００３２】また、検出電圧Ｃが下限値Ｄ_MINと上限値
Ｄ_MAXとの範囲内であるときには、オペアンプ１０１，
１０２の出力が共にローレベルであり、トランジスタ１
１１がオフ状態であるから、トランジスタ１１１のコレ
クタラインはハイインピーダンス状態となり、異常検出
信号Ｅは差動アンプ３４の動作に何ら影響を与えること
がない。そこで、この場合には、差動アンプ３４は、差
動アンプ３６と同様に、整流・平滑回路３２の出力及び
整流・平滑回路３３の出力の差を増幅して出力する差動
増幅回路として通常通り動作する。

【００３３】このようなトルクセンサ回路３０の出力、
すなわちノイズ除去フィルタ３５，３７を介する差動ア
ンプ３４，３６の出力Ｄ，Ｄ’は、モータ制御回路４０
に送出される。モータ制御回路４０は、差動アンプ３
４，３６の出力Ｄ，Ｄ’の例えば平均値に基づいてスラ
イダ８の中立位置からの変位の方向及び大きさを演算す
る変位演算部４１と、変位演算部４１の演算結果に基づ
いて操舵系に発生している操舵トルクを求めその操舵ト
ルクを軽減する操舵補助トルクが発生するような駆動電
流Ｉを電動モータ７に供給するモータ駆動回路４２と、
例えば差動アンプ３４，３６の両出力の差が所定の値以
上に開くとトルクセンサに異常が発生したと判定してモ
ータ駆動回路４２の出力動作を停止等させる異常監視回
路４３とを備えている。そして、トルクセンサの回路３
０の回路基板２１とは別個に設けられ、又はトルクセン
サの回路３０と共に回路基板２１上に配設される。な
お、異常監視回路４３における上記の所定値は、二重系
になっている差動アンプ３４及びノイズ除去フィルタ３
５と差動アンプ３６及びノイズ除去フィルタ３７との定
常状態における差に対応して決まるものであり、小さな
値である。

【００３４】次に、本実施例の動作を説明する。先ずコ
ネクタ２２の接続が適正な状態であり、トルクセンサの
回路３０も正常な場合における動作を説明する。今、操
舵系が直進状態にあり、操舵トルクが零であるものとす
ると、入力軸２及び出力軸３間には相対回転は生じない
から、出力軸３と一体に回転するスライダ８と、入力軸
２との間にも相対回転は生じない。従って、ボール１１
は溝２ｃの初期位置に収まった状態を維持するから、ス
ライダ８には進退力は発生せず、スライダ８は中立位置
から動かない。

【００３５】一方、ステアリングホイールを操舵して入
力軸２に回転力が生じると、その回転力は、トーション
バー４を介して出力軸３に伝達される。このとき、出力
軸３には、転舵輪及び路面間の摩擦力や出力軸３の図示
しない左端側に構成されたラックアンドピニオン式ステ
アリング装置のギアの噛み合い等の摩擦力に応じた抵抗
力が生じるため、入力軸２及び出力軸３間には、トーシ
ョンバー４が捩じれることによって出力軸３が遅れる相
対回転が発生する。

【００３６】すると、出力軸３と回転方向に一体となっ
たスライダ８にも入力軸２に対する相対回転が生じる
が、スライダ８と一体となったクロスガイド９の凹部９
ｂに収容されたボール１１が入力軸２に形成された溝２
ｃ内にも収まっているので、溝２ｃの傾斜角に従ってス
ライダ８は軸方向に進退するようになる。なお、ボール
１１と、溝２ｃ，凹部９ｂの内面との間には、ボール１
１が転動できるように若干の隙間を持たせる必要がある
が、スプリング１０がスライダ８を一方向に付勢してい
るので、その隙間によるスライダ８のがたつきは防止さ
れている。

【００３７】ここで、右操舵トルク（右回転方向操舵時
に発生する操舵トルク）発生時の入力軸２及び出力軸３
間の相対回転によってスライダ８が図１右方に移動し、
左操舵トルク（左回転方向操舵時に発生する操舵トル
ク）発生時の入力軸２及び出力軸３間の相対回転によっ
てスライダ８が図１左方に移動するものとする。する
と、大径部８ａは、リング部材１２，１３よりも磁束を
通しやすい性質を有しているため、右操舵トルク発生時
には、コイル１５の自己インダクタンスは増大しコイル
１６の自己インダクタンスは減少するから、コイル１５
の自己誘導起電力は大きくなり、コイル１６の自己誘導
起電力は小さくなる。逆に、左操舵トルク発生時には、
コイル１５の自己インダクタンスは減少しコイル１６の
自己インダクタンスは増大するから、コイル１５の自己
誘導起電力は小さくなり、コイル１６の自己誘導起電力
は大きくなる。

【００３８】従って、コイル１５の自己誘導起電力に対
応した発振電圧Ｂの振幅は小さくなる一方、コイル１６
の自己誘導起電力に対応した発振電圧Ｂ’の振幅は大き
くなる。さらに、このことに対応して、検出電圧Ｃの値
が小さくなり、検出電圧Ｃ’の値が大きくなる。しか
も、この場合はコネクタ２２の接続等が正常であるか
ら、検出電圧Ｃ及び検出電圧Ｃ’の値は、共に、値Ｃ
_MIN以上で値Ｃ_MAX以下すなわち所定の範囲（下限値Ｄ
_MIN〜上限値Ｄ_MAX）内となる。そこで、異常検出回路
１００の異常検出信号Ｅがローレベルとなってアンプ制
御回路１１０のアンプ制御信号Ｆはローレベルになら
ず、差動アンプ３４の動作は異常検出信号Ｅ及びアンプ
制御信号Ｆの影響を受けることなく、差動アンプ３４，
３６は共に検出電圧Ｃと検出電圧Ｃ’との差を演算して
出力する。その結果、差動アンプ３４及び３６の出力
は、一致し、図５に示すＤ及びＤ’のように、操舵トル
クの方向及び大きさに従ってリニアに変化するようにな
る。また、差動アンプ３４及び３６において整流・平滑
回路３２，３３の差を求めているため、温度等による自
己インダクタンスの変化はキャンセルされる。

【００３９】そして、モータ制御回路４０では、変位演
算回路４１が、ノイズ除去フィルタ３５，３７を介して
供給される差動アンプ３４，３６の出力の平均値を演算
し、その値に例えば所定の比例ゲインを乗じてスライダ
８の変位量を求め、その結果をモータ駆動回路４２に送
出する。モータ駆動部４２は、スライダ８の変位の方向
及び大きさが操舵トルクの方向及び大きさに対応するこ
とから、変位演算回路４１の出力に応じた方向及び大き
さの駆動電流Ｉを電動モータ７に供給する。

【００４０】すると、電動モータ７には、操舵系に発生
している操舵トルクの方向及び大きさに応じた回転力が
発生し、その回転力が出力軸７ａ，ウォーム７ｂ及びウ
ォームホイール６を介して出力軸３に伝達されるから、
出力軸３に操舵補助トルクが付与されたことになり、操
舵トルクが減少し、操縦者の負担が軽減される。そし
て、スライダ８の大径部８ａ，リング部材１２，１３及
びコイル１５，１６の軸方向の寸法関係を上述のように
設定しているので、スライダ８の進退範囲全域のいずれ
の位置にあっても、リング部材１２，１３の全体がコイ
ル１５，１６の内側に入り込んでしまったり、外側に出
てしまったりすることがないから、図５に示した差動ア
ンプ３４，３６の出力は常にリニアに変化する。このた
め、操舵系に発生する操舵トルクを、その大きさに関係
なく正確に検出できるから、的確な操舵補助トルクを付
与することができる。

【００４１】また、導電性で且つ非磁性の材料からなる
リング部材１２及び１３は、交番磁界と鎖交する場合に
は、うず電流が発生して磁束を通し難くなるため、空気
よりも更に磁束を通し難い性質を有する。従って、リン
グ部材１２，１３を設けない場合に比べて、コイル１
５，１６の自己インダクタンスの変化を急峻にすること
ができるから、差動アンプ３４，３６の出力を急峻にし
てセンサ感度を上げることができる。逆に、センサ感度
が従来のままでよければ、コイル１５，１６の巻き数等
を少なくしてコイル１５，１６を小型化できる。

【００４２】また、リング部材１２，１３内を通過する
磁束は、うず電流による表皮効果によって、コイル１
５，１６に近い表皮部分に集中することになる。ちなみ
に、コイル１５，１６に供給する交流電流の周波数を
ｆ、リング部材１２，１３をなす材料の透磁率をμ、そ
の電気伝導率をσとすれば、磁束が集中する表皮の厚さ
δは、下記の（１）式のようになる。

【００４３】 δ＝２／（２πｆ・σ・μ）^1/2 ……（１）つまり、リング部材１２，１３の径方向の厚みは、上記
（１）式で求められる厚さδ以上あればよいから、スラ
イダ８の外径寸法を小さくできる。さらには、コイルの
相互インダクタンスを変化させるのではなく、自己イン
ダクタンスを変化させる形式であるため、発振コイルは
不要である。従って、差動を取る構成であってもコイル
は二つで済み、小型化及び低コスト化を図ることができ
る。

【００４４】次いで、コネクタ２２が接続不良のときに
おけるトルクセンサの動作を説明する。コネクタ２２が
接続不良の場合は、コイル１５，１６が共に、抵抗Ｒ１
５，Ｒ１６と整流・平滑回路３２，３３との接続ライン
から切り離されてしまう。このため、ステアリングホイ
ールの操舵に応じてスライダ８が進退してコイル１５，
１６の自己インダクタンスが変化しても、発振回路３１
から抵抗Ｒ１５，Ｒ１６を経て整流・平滑回路３２，３
３に至る信号には何ら影響がない。この場合、常時、発
振回路３１からの発振電圧Ａが抵抗Ｒ１６，Ｒ１５を介
してそのまま整流・平滑回路３２，３３に入力される。
すなわち、コイル１５，１６が接続された定常状態にお
ける信号の数倍の振幅の信号が、整流・平滑回路３２，
３３に入力される。そして、整流・平滑回路３２，３３
の出力である検出電圧Ｃ，Ｃ’は、揃って上限値Ｄ_MAX
を超える。

【００４５】この検出電圧Ｃ，Ｃ’を受けた差動アンプ
３６は、検出電圧Ｃ，Ｃ’の値が同様の値であることか
ら、その出力Ｄ’が基準電圧Ｖ_REを基準として略零とな
る（図６におけるＤ’参照）。また、上限値Ｄ_MAXを超
える検出電圧Ｃを受けた異常検出回路１００は異常検出
信号Ｅを有意のハイレベルとしてアンプ制御回路１１０
に送出し、これを受けてアンプ制御回路１１０はアンプ
制御信号Ｆを有意のローレベルとして差動アンプ３４に
送出する。そして、ローレベルのアンプ制御信号Ｆを非
反転入力端子に受けた差動アンプ３４は、検出電圧Ｃ，
Ｃ’の値に拘わらず、出力Ｄがアンプ出力限界のローレ
ベルになる（図６におけるＤ参照）。これにより、コネ
クタ２２が接続不良の場合、差動アンプ３４の出力Ｄが
定常出力範囲外のローレベルになると共に、差動アンプ
３４，３６の出力Ｄ，Ｄ’が異なる電圧値となる。

【００４６】そして、モータ制御回路４０では、異常監
視回路４３が、ノイズ除去フィルタ３５，３７を介して
供給される差動アンプ３４，３６の出力を比較し、両出
力の差が所定の値以上に開いていることから、モータ駆
動回路４２に停止信号等を送出して、モータ駆動回路４
２の出力動作を停止させる。これにより、トルクセンサ
の故障等によって不所望な操舵補助トルクが発生してス
テアリングホイールがロックする事態を回避することが
できる。このように、コネクタ２２が接続不良の場合、
トルクセンサに異常が発生していることを、差動アンプ
の出力によって判定することができる。

【００４７】以上、コイルを回路に接続するコネクタが
接続不良の場合の動作について説明したが、コイルを保
持したコイルヨークの回転等に起因してコイルのリード
線が切れた場合や、コイルの装填等の組み立て時にコイ
ルのリード線が切れた場合も同様の動作である。また、
コネクタが接続されていてもその端子の接触状態が悪い
場合や、コイルのリード線が断線しかかっている場合
も、コイル側の抵抗値が大きくなることから、やはり上
述の場合とほぼ同様の動作となる。さらに、詳細な説明
は割愛するが、発振回路３１の故障やコイル１５，１６
の短絡等の異常事態の場合、検出電圧Ｃが下限値Ｄ_MIN
を下回ることから、やはり異常検出回路１００の異常検
出信号Ｅが有意のハイレベルとなり、さらにアンプ制御
回路１１０のアンプ制御信号Ｆが有意のローレベルとな
って、差動アンプ３４の出力Ｄが定常出力範囲外のロー
レベルになる。そこで、このようなトルクセンサの異常
を、差動増幅回路の出力によって、判定することができ
るしたがって、この発明のトルクセンサは、コイルの接
続不良その他の異常であって一対の検出電圧が同様に変
化する異常があることを差動増幅回路の出力によって判
定することができるものである。

【００４８】この発明のトルクセンサの他の実施例につ
いて説明する。その機械的構成及び回路の概要構成は上
述の実施例について図１乃至図３に示したものと同様で
あり、異常検出回路の構成が相違する。そこで、以下相
違点のみ説明する。図７に、異常検出回路を中心とした
回路を示すが、この異常検出回路２００は、整流・平滑
回路３２の出力すなわち検出電圧Ｃのラインと接地ＧＮ
Ｄとの間で順に直列に接続された抵抗Ｒ２０１，Ｒ２０
２，Ｒ２０３と、カソードが抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０２の
接続点に接続されアノードが抵抗Ｒ２０４を介して基準
電圧Ｖ_REのラインに接続されたダイオードＤ２０１と、
アノードが抵抗Ｒ１０２，Ｒ１０３の接続点に接続され
カソードが抵抗Ｒ２０５を介して基準電圧Ｖ_REのライン
に接続されたダイオードＤ２０２と、反転入力端子がダ
イオードＤ２０１のアノードに接続され非反転入力端子
がダイオードＤ２０２のカソードに接続されたオペアン
プ２０１とから構成され、オペアンプ２０１の出力によ
って異常検出信号Ｅを送出するものである。

【００４９】この回路２００は、ダイオードにおける順
方向電圧を無視して説明すると、抵抗Ｒ２０１と抵抗Ｒ
２０２との接続点に発生する電圧が基準電圧Ｖ_REより小
さいときにはその電圧がダイオードＤ２０１を介してオ
ペアンプ２０１の反転入力とされる一方、抵抗Ｒ２０１
と抵抗Ｒ２０２との接続点に発生する電圧が基準電圧Ｖ
_REより大きいときにはその電圧の伝達がダイオードＤ２
０１によって断たれて基準電圧Ｖ_REがオペアンプ２０１
の反転入力とされる。さらに、抵抗Ｒ２０２と抵抗Ｒ２
０３との接続点に発生する電圧が基準電圧Ｖ_REより大き
いときにはその電圧がダイオードＤ２０２を介してオペ
アンプ２０１の非反転入力とされる一方、抵抗Ｒ２０２
と抵抗Ｒ２０３との接続点に発生する電圧が基準電圧Ｖ
_REより小さいときにはその電圧の伝達がダイオードＤ２
０１によって断たれて基準電圧Ｖ_REがオペアンプ２０１
の非反転入力とされる。これにより、上述の異常検出回
路１００と同じ機能を持つ異常検出回路が、１つのオペ
アンプで実現される。なお、異常検出回路２００では、
抵抗Ｒ２０６と抵抗Ｒ２０７とでオペアンプ２０１の出
力を抵抗分圧してオペアンプ２０１に正帰還をかけ、こ
れによってコンパレータとしての動作に僅かなヒステリ
シス特性を与えて、異常検出信号Ｅの安定を図ってい
る。

【００５０】なお、上記実施例では、異常検出時に差動
増幅回路の出力が定常出力範囲外の所定のローレベルの
値になる構成としたが、差動増幅回路の出力が定常出力
範囲外の所定のハイレベルの値になる構成であってもよ
い。この構成は、例えば、異常検出信号Ｅをオペアンプ
３４ａの反転入力に送出することで実現しうる。また、
上記実施例では、信頼性を向上させるために、差動アン
プ３４，３６及びノイズ除去フィルタ３５，３７を二系
統設けているが、三系統以上設けてもよい。逆に差動ア
ンプ３４及びノイズ除去フィルタ３５だけの一系統とし
てもよい。この場合は、差動増幅回路３４の出力を他の
差動増幅回路の出力と比較することはできないが、差動
増幅回路３４の出力が定常出力範囲以内であるかその外
であるかによって、トルクセンサの異常状態を判定する
ことが可能である。

【００５１】また、上記実施例では、本発明に係るトル
クセンサを、車両用の電動パワーステアリング装置に適
用した場合について説明したが、本発明の適用対象はこ
れに限定されるものではない。そして、上記実施例で
は、直線方向の変位を測定するトルクセンサに本発明を
適用したが、これに限定されるものではなく、角度を検
出するトルクセンサ等にも適用可能である。

【００５２】さらに、上記実施例では、磁性材料からな
る大径部８ａを、導電性で且つ非磁性の材料からなるリ
ング部材１２，１３で挟み込む構成としているが、これ
らの関係は逆であってもよい。例えば、スライダ８の大
径部８ａの形成される部分に逆に小径部を形成し、そこ
に導電性で且つ非磁性の材料からなるリングを嵌め込ん
でもよいし、或いは、上記実施例と同じ構成のスライダ
８を導電性で且つ非磁性の材料で形成し、リング部材１
２，１３を磁性材料で形成するようにしてもよい。この
場合、後者の構造であれば、同じ寸法であれば進退する
部材全体の質量を低減することができるから、イナーシ
ャをより小さくできるという利点も得られる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のトルクセ
ンサは、コイルの接続不良があると、一対の検出電圧が
共に揃って正常値を超えた大きな値となるが、この異常
が検出回路によって検出され、さらに制御回路によって
差動増幅回路の出力が強制的に定常出力範囲外の所定の
値に変化させられる。これにより、その異常状態が差動
増幅後の出力に反映される。

【００５４】したがって、コイルの接続不良その他の異
常であって一対の検出電圧が同様に変化する異常がある
ことを差動増幅回路の出力によって判定することができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のトルクセンサの一実施例について、そ
の機械的構成を示す断面図である。

【図２】図１の要部を拡大した図である。

【図３】本発明のトルクセンサの一実施例について、ト
ルクセンサの回路部分を中心としたモータ制御回路の概
要構成を示すブロック図である。

【図４】異常検出回路部分を中心とした回路図である。

【図５】定常動作状態における操舵トルクと差動アンプ
の出力との関係を示すグラフである。

【図６】コネクタ接続不良状態における操舵トルクと差
動アンプの出力との関係を示すグラフである。

【図７】他の構成の異常検出回路についての回路図であ
る。

【符号の説明】

１ハウジング２入力軸３出力軸４トーションバー８スライダ８ａ大径部（磁性材料からなる領域）１２，１３リング部材（導電性で且つ非磁性材料から
なる領域）１５，１６コイル２０センサケースカバー２１回路基板２１２２コネクタ２２３０トルクセンサの回路部分３１発振回路３２，３３整流・平滑回路３４差動アンプ３５ノイズ除去フィルタ３６差動アンプ３７ノイズ除去フィルタ４０制御回路４１変位演算回路４２モータ駆動回路４３異常監視回路１００異常検出回路１１０アンプ制御回路２００異常検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 3/10 B62D 5/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】トルクに応じて互いに逆方向にインダク
タンスが変化する一対のコイルと、該一対のコイルに誘
導される一対の検出電圧を受けて差動増幅する差動増幅
回路とを有し、該差動増幅回路の出力により前記トルク
を検出するトルクセンサにおいて、前記一対の検出電圧
の何れか一方を入力とし該入力が所定の上限値を超えた
とき及び所定の下限値を下回ったときに検出信号を送出
する検出回路と、該検出回路の検出信号を受けると前記
差動増幅回路の出力が定常出力範囲外の所定の値になる
ように前記差動増幅回路を制御する制御回路とを備えた
ことを特徴とするトルクセンサ。