JP3670950B2 - トルクセンサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば操舵トルクに応じた操舵補助力を付与するパワーステアリング装置において、その操舵トルクを検出するのに適したトルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば車両のパワーステアリング装置においては、ステアリングホイールの回転をステアリングシャフトを介して車輪に伝達する際、そのステアリングシャフトにより伝達されるトルクをトルクセンサにより検出し、その検出トルクの大きさに応じて操舵補助力を付与している。
【０００３】
例えば、特開平２‐１３２３３６号公報に開示されたトルクセンサは、第１のシャフト部分と、この第１のシャフト部分に対して同軸心かつ弾性的に相対回転可能な第２のシャフト部分と、その第１のシャフト部分と同行回転可能、且つ、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する第１の回転板と、その第２のシャフト部分と同行回転可能、且つ、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する第２の回転板と、シャフト軸心まわりに巻かれる導線により構成されると共に、交番磁界を生じるように磁束を発生させる第１、第２のコイルとを備えている。その第１、第２の回転板は共に導電性非磁性材製とされている。その第１のコイルのシャフト径方向内方に第２のコイルが配置されている。シャフト軸方向において、その第１の回転板は第２の回転板と両コイルとの間に配置されている。各回転板は両コイルの発生磁束の通過位置に配置されている。各回転板に、第１コイルの発生磁束の通過位置に配置される第１部分と第２コイルの発生磁束の通過位置に配置される第２部分とを有する開口が形成されている。シャフト軸方向において、その第１の回転板の開口の第１部分と第２の回転板との重なり面積が、両シャフトが一方向に相対回転する時は変化し、他方向に相対回転する時は変化しないように、その第１の回転板の開口の第１部分と第２の回転板の開口の第１部分とは相対配置されている。また、シャフト軸方向において、その第１の回転板の開口の第２部分と第２の回転板との重なり面積が、両シャフトが一方向に相対回転する時は変化せず、他方向に相対回転する時は変化するように、その第１の回転板の開口の第２部分と第２の回転板の開口の第２部分とは相対配置されている。これにより、両シャフトが一方向に相対回転する時は、第１の回転板の開口の第１部分と第２の回転板との重なり面積の変化に応じた第１コイルの出力変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出される。また、両シャフトが他方向に相対回転する時、第１の回転板の開口の第２部分と第２の回転板との重なり面積の変化に応じた第２コイルの出力変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のトルクセンサでは、トルクの検出感度が低く、また、温度変化による検出値変動を補償できないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決することのできるトルクセンサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のトルクセンサは、第１シャフトと、その第１シャフトに同軸心かつ弾性的に相対回転可能に連結される第２シャフトと、その第１シャフトと同行回転可能、且つ、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する導電性の非磁性材製規制側回転板と、その第２シャフトと同行回転可能、且つ、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する磁性材製通過側回転板と、シャフト軸心まわりに巻かれる導線により構成されると共に、交番磁界を生じるように磁束を発生させる第１コイルと、シャフト軸心まわりに巻かれる導線により構成されると共に、交番磁界を生じるように磁束を発生させる第２コイルとを備え、その第１コイルのシャフト径方向内方に第２コイルが配置され、シャフト軸方向において、その規制側回転板は、その通過側回転板と両コイルとの間に配置され、その規制側回転板と通過側回転板とは、両コイルの発生磁束の通過位置に配置され、その規制側回転板に、第１コイルの発生磁束が通過する第１部分と第２コイルの発生磁束が通過する第２部分とを有する規制側開口が形成され、その通過側回転板に、第１コイルの発生磁束が通過する第１部分と第２コイルの発生磁束が通過する第２部分とを有する通過側開口が形成され、シャフト軸方向において、その規制側開口の第１部分と通過側回転板との重なり面積が、両シャフトが一方向に相対回転する時は増加し他方向に相対回転する時は減少するように、その規制側開口の第１部分と通過側開口の第１部分とは相対配置され、シャフト軸方向において、その規制側開口の第２部分と通過側回転板との重なり面積が、両シャフトが一方向に相対回転する時は減少し他方向に相対回転する時は増加するように、その規制側開口の第２部分と通過側開口の第２部分とは相対配置され、両シャフトの検出原点位置からの相対回転時において、その規制側開口の第１部分と通過側回転板との重なり面積の変化による第１コイルの出力変化の絶対値と、その規制側開口の第２部分と通過側回転板との重なり面積の変化による第２コイルの出力変化の絶対値とは互いに等しくされ、前記第１コイルと前記第２コイルは発振器に接続され、前記第１コイルと前記第２コイルは、前記発振器の出力変動周期の１／２周期毎に交互に励磁されると共に励磁されていない時は相互誘導により起電力を生じるように、交互に通電され、その第１コイルの出力変化と第２コイルの出力変化との差に対応するその相互誘導による起電力の変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出されることを特徴とする。
その通過側回転板を構成する磁性材としては、トルクセンサを構成する上で必要な磁気特性に優れた例えば軟質磁性金属材料や磁性樹脂材料を用いることができる。その規制側回転板を構成する導電性を有する非磁性材としては、アルミニウム等の導電性に優れると共に透磁率の小さい常磁性体を用いることができる。
上記構成においては、トルク伝達時における両シャフトの相対回転により、規制側回転板の開口と通過側回転板の開口との重なり状態が変化する。これにより、その規制側回転板の開口の第１部分と通過側回転板との重なり面積と、規制側回転板の開口の第２部分と通過側回転板との重なり面積とが、両シャフトの相対回転量に応じて変化する。その通過側回転板は磁性材製であり、その規制側回転板は非磁性材製であるので、各重なり面積の変化に応じて通過側回転板の通過磁束が変化する。また、各コイルの磁束発生に基づき生じる交番磁界内で規制側回転板に生じる渦電流によっても、その通過側回転板に至る磁束が遮られる。各重なり面積は、両シャフトの相対回転により一方が増加すると共に他方が減少することから、規制側回転板の開口の第１部分と通過側回転板との重なり面積変化に応じた通過側回転板の通過磁束変化に対応する第１コイルの出力変化と、規制側回転板の開口の第２部分と通過側回転板との重なり面積変化に応じた通過側回転板の通過磁束変化に対応する第２コイルの出力変化とは、絶対値が等しく符号が逆になる。その第１コイルの出力変化と第２コイルの出力変化との差に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクを検出することで、トルク検出感度を増大できる。しかも、温度が変動した場合、第１コイルの出力と第２コイルの出力とは同じだけ変化するので、両出力の差に基づきトルクを検出することで温度変動による検出トルクの変動を相殺できる。よって、検出感度を向上すると同時に温度変化による検出値変動の補償ができる。しかもシャフト軸方向寸法が従来よりも大きくなることはなく、コンパクトな構造にできる。
【０００７】
前記両コイルを保持する磁性材製のコイルホルダーを備え、そのコイルホルダーは、その第１コイルの外周に対向する筒状の外周部分と、その第２コイルの内周に対向する筒状の内周部分と、その第１コイルの内周と第２コイルの外周とに対向する筒状の中間部分と、その外周部分と内周部分と中間部分それぞれにおける前記両回転板から離れた側の各一端部を連結する環状部分とを有するのが好ましい。
これにより単一のコイルホルダーにより両コイルを保持できるので、構造の簡単化とコスト低減を図ることができる。
【０００８】
前記通過側回転板の外周に、周方向に沿って複数の凸部が等間隔をおいて形成され、その通過側回転板の回転による各凸部の位置変化に基づき、その通過側回転板の回転角に対応する信号を出力するセンサを備えるのが好ましい。
これにより、通過側回転板をシャフト回転角の検出に利用でき、その回転角の検出構造の簡単化を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に示すトルクセンサ１は、車両のパワーステアリング装置における操舵トルクを検出するために用いられる。そのトルクセンサ１は、ハウジング２と、第１シャフト３と、第２シャフト４とを備えている。その第１シャフト３は、軸受５を介してハウジング２により支持され、ブッシュ６を介して第２シャフト４の一端に形成された凹部４ａの内周により支持される。その第２シャフト４は、軸受７を介してハウジング２により支持される。その検出トルクに応じて操舵補助力が付与される。
【００１０】
その第１シャフト３に形成された軸方向孔３ａと、その第２シャフト４の凹部４ａとにトーションバー８が挿入されている。そのトーションバー８の一端はピン９により第１シャフト３に同行回転するように連結され、他端はセレーション１０を介して第２シャフト４に同行回転するように連結されている。これにより、その第２シャフト４は、第１シャフト３と同軸心に配置されると共に、第１シャフト３に弾性的に相対回転可能に連結されている。その第１シャフト３の一端側はステアリングホイール（図示省略）に接続され、その第２シャフト４の他端側は例えばラックピニオン式ステアリングギア等のステアリングギアに接続される。これにより、操舵のためのステアリングホイールの回転が第１、第２シャフト３、４を介して車輪に伝達され、操舵角が変化する。
【００１１】
その第１シャフト３は、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する円環状の規制側回転板１１に、同軸心に同行回転するように連結されている。本実施形態では、その規制側回転板１１は、第１シャフト３の外周に圧入される筒体１３と一体的に形成されるが、その規制側回転板１１と第１シャフト３との連結手段は特に限定されない。この規制側回転板１１は、アルミニウム等の導電性を有する非磁性材製とされている。
【００１２】
その第２シャフト４は、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する円環状の通過側回転板１２に、同軸心に同行回転するように連結されている。本実施形態では、その通過側回転板１２は第２シャフト４の外周に圧入される筒体１４と一体的に形成されるが、その通過側回転板１２と第２シャフト４との連結手段は特に限定されない。その通過側回転板１２は、軟質磁性金属材料等の磁性材製とされている。図２に示すように、本実施形態の通過側回転板１２は軟質磁性金属材製の複数の薄板１２′を積層することで構成され、交番磁界下において生じる渦電流が抑制されている。
【００１３】
そのハウジング２の内周に、磁性材製のコイルホルダー３１が挿入されている。そのコイルホルダー３１により第１コイル３３と第２コイル３４が保持される。各コイル３３、３４は、絶縁材製のボビン３６、３７にシャフト軸心まわりに巻かれる導線３３ａ、３４ａにより構成され、後述のようにトルク検出回路を構成し、交番磁界を生じるように磁束を発生させる。その第１コイル３３のシャフト径方向内方に第２コイル３４が配置される。
【００１４】
シャフト軸方向において、その規制側回転板１１は、その通過側回転板１２と両コイル３３、３４との間に配置され、その規制側回転板１１と通過側回転板１２とは、両コイル３３、３４の発生磁束の通過位置に配置される。
【００１５】
そのコイルホルダー３１は、第１コイル３３の外周に対向する円筒状の外周部分３１ａと、その第２コイル３４の内周に対向する円筒状の内周部分３１ｂと、その第１コイル３３の内周と第２コイル３４の外周とに対向する円筒状の中間部分３１ｃと、その外周部分３１ａと内周部分３１ｂと中間部分３１ｃそれぞれにおける前記両回転板１１、１２から離れた側の各一端部を連結する円環状部分３１ｄとを有する。このコイルホルダー３１は、外周部分３１ａがハウジングの内周に嵌め合わされることでハウジング２に固定され、内周部分３１ｂは第１シャフト３の外周を隙間を介して囲むように配置される。そのコイルホルダー３１と規制側回転板１１との間、規制側回転板１１と通過側回転板１２との間には、それぞれシャフト軸方向における隙間が形成されている。
【００１６】
図３に示すように、その規制側回転板１１に複数の規制側開口４１が形成されている。各規制側開口４１は、シャフト径方向において外方側に位置する第１部分４１ａと内方側に位置する第２部分４１ｂとに分離され、その第１部分４１ａを第１コイル３３の発生磁束が通過し、その第２部分４１ｂを第２コイル３４の発生磁束が通過する。各第１部分４１ａは、シャフト周方向において等間隔で並列し、互いに形状と大きさが同一とされ、シャフト径方向に沿う一対の縁と、両シャフト３、４の軸心を中心とする円周に沿う一対の縁とを有する４辺形に沿う形状を有する。各第２部分４１ｂは、シャフト周方向において等間隔で並列し、互いに形状と大きさが同一とされ、シャフト径方向に沿う一対の縁と、両シャフト３、４の軸心を中心とする円周に沿う一対の縁とを有する４辺形に沿う形状を有する。各第１部分４１ａのシャフト径方向に沿う一対の縁がなす角と、各第２部分４１ｂのシャフト径方向に沿う一対の縁がなす角とは互いに等しくされている。また、第１コイル３３と第２コイル３４の出力変化が、絶対値が等しく符号が逆になるように、それぞれの部分４１ａ、４１ｂのシャフト径方向に沿う縁の寸法が定められている。各規制側開口４１において、第１部分４１ａと第２部分４１ｂとは互いからシャフト周方向にずれて配置され、本実施形態では、それぞれのシャフト周方向における中央位置が互いに対してシャフト周方向寸法の１／２だけずれて配置されている。
【００１７】
図４に示すように、その通過側回転板１２に規制側開口４１と同数の通過側開口４２が、シャフト周方向において等間隔で並列するように形成されている。各通過側開口４２は互いに形状と大きさが同一とされ、シャフト径方向に沿う一対の縁と、両シャフト３、４の軸心を中心とする円周に沿う一対の縁とを有する４辺形に沿う形状を有する。シャフト径方向において、各通過側開口４２の外方側は第１コイル３３の発生磁束が通過する第１部分４２ａとされ、内方側は第２コイル３４の発生磁束が通過する第２部分４２ｂとされている。各通過側開口４２のシャフト径方向に沿う一対の縁がなす角は、各規制側開口４１における各部分４２ａ、４２ｂのシャフト径方向に沿う一対の縁がなす角に等しくされている。各通過側開口４２における径方向外方側の円周に沿う縁は、各規制側開口４１の第１部分４１ａにおける径方向外方側の円周に沿う縁よりも径方向外方側に位置する。各通過側開口４２における径方向内方側の円周に沿う縁は、各規制側開口４１の第２部分４１ｂにおける径方向内方側の円周に沿う縁よりも径方向内方側に位置する。
【００１８】
その通過側回転板１２の外周に、周方向に沿って複数の凸部５０が等間隔をおいて形成されている。その通過側回転板１２の回転による各凸部５０の位置変化に基づき、その通過側回転板１２の回転角に対応する信号を検出するセンサ５１がハウジング２に取り付けられている。本実施形態では、そのセンサ５１として磁気抵抗センサが用いられている。
【００１９】
図５に示すように、両シャフト３、４が相対回転していない検出原点位置にある時、すなわち舵角が零の時、シャフト軸方向において、規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側開口４２の第１部分４２ａとは互いに部分的に重なり、また、規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側開口４２の第２部分４２ｂとは互いに部分的に重なり、この時、その規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側回転板１２との重なり面積は、規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側回転板１２との重なり面積に等しくされている。また、上記のように規制側開口４１の第１部分４１ａと第２部分４１ｂとが互いからシャフト周方向においてずらして配置されることで、シャフト軸方向において、規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側回転板１２との重なり面積が、両シャフト３、４が一方向に相対回転する時は増加し他方向に相対回転する時は減少するように、その規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側開口４２の第１部分４２ａとは相対配置されている。また、シャフト軸方向において、規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側回転板１２との重なり面積が、両シャフト３、４が一方向に相対回転する時は減少し他方向に相対回転する時は増加するように、その規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側開口４２の第２部分４２ｂとは相対配置されている。両シャフト３、４の相対回転時において、その規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側回転板１２との重なり面積の変化の絶対値と、その規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側回転板１２との重なり面積の変化の絶対値とは互いに等しくされている。
【００２０】
図２において二点鎖線βで示すように、第１コイル３３の発生磁束がコイルホルダー３１、規制側開口４１の第１部分４１ａ、通過側回転板１２を通過することで、そのコイルホルダー３１および通過側回転板１２を構成要素として含む第１磁気回路が構成される。また、第２コイル３４の発生磁束がコイルホルダー３１、規制側開口４１の第２部分４１ｂ、通過側回転板１２を通過することで、そのコイルホルダー３１および通過側回転板１２を構成要素として含む第２磁気回路が構成される。
【００２１】
上記構成においては、トルク伝達時における両シャフト３、４の相対回転時に、規制側開口４１と通過側開口４２との重なり状態が変化する。これにより、その規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側回転板１２との重なり面積と、規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側回転板１２との重なり面積とが、両シャフト３、４の相対回転量に応じて変化する。その通過側回転板１２は磁性材製であり、その規制側回転板１１は非磁性材製であるので、各重なり面積の変化に応じて通過側回転板１２の通過磁束が変化する。また、各コイル３３、３４の磁束発生に基づき生じる交番磁界内で規制側回転板１１に生じる渦電流によっても、その通過側回転板１２に至る磁束が遮られる。各重なり面積は、両シャフト３、４の相対回転により一方が増加すると共に他方が減少することから、規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側回転板１２との重なり面積変化に応じた通過側回転板１２の通過磁束変化に対応する第１コイル３３の出力変化と、規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側回転板１２との重なり面積変化に応じた通過側回転板１２の通過磁束変化に対応する第２コイル３４の出力変化とは、絶対値が等しく符号が逆になる。その第１コイル３３の出力変化と第２コイル３４の出力変化との差に基づき、両シャフト３、４により伝達されるトルクを検出することで、トルク検出感度を増大できる。しかも、温度が変動した場合、第１コイル３３の出力と第２コイル３４の出力とは同じだけ変化するので、両出力の差に基づきトルクを検出することで温度変動による検出トルクの変動を相殺できる。よって、検出感度を向上すると同時に温度変化による検出値変動の補償ができる。
【００２２】
図６は第１比較例のトルク検出回路を示す。すなわち、各コイル３３、３４は例えばハウジング２に取り付けられるプリント基板（図示省略）上の回路とで図６に示すトルク検出回路を構成する。すなわち、そのトルク検出回路においては、第１コイル３３は抵抗４５を介して発振器４６に接続され、第２コイル３４は抵抗４７を介して発振器４６に接続され、各コイル３３、３４は差動増幅回路４８に接続される。これにより、両シャフト３、４間でのトルク伝達によりトーションバー８が捩れることで両シャフト３、４が弾性的に相対回転し、その伝達トルクに応じて規制側開口４１と通過側回転板１２との重なり面積が変化し、その重なり面積の変化により通過側回転板１２の通過磁束が変化することで、第１、第２コイル３３、３４の出力が変化する。その規制側開口４１の第１部分４１ａと重なる通過側回転板１２の通過磁束の変化と、規制側開口４１の第２部分４１ｂと重なる通過側回転板１２の通過磁束の変化との差に対応する差動増幅回路４８の出力に基づき、両シャフト３、４により伝達されるトルクが検出される。その差動増幅回路４８から出力される伝達トルクに対応した信号に応じて駆動されるモータ等の図外アクチュエータにより操舵補助力が付与される。その操舵補助力の付与機構は公知の構成を採用できる。
【００２３】
図７は、そのトルク検出回路の第２比較例を示す。この比較例において上記比較例と同様部分は同一符号で示し、上記比較例との相違を説明する。この第２比較例では、第１コイル３３と第２コイル３４をそれぞれブリッジ回路の１つのアームを構成するように直列に配置することで、温度変動による検出トルクの変動を相殺するようにしている。
【００２４】
図８、図９は、そのトルク検出回路の第１実施形態を示す。この第１実施形態において上記比較例と同様部分は同一符号で示し、上記比較例との相違を説明する。この第１実施形態では、第１コイル３３と第２コイル３４に交互に通電する。すなわち、発振器４６の出力と基準電圧Ｖ01との偏差に対応する信号を出力する演算増幅器６０は、第１通電時間調整手段６１、インバータ６２、第２通電時間調整手段６３に直列に接続される。その第１通電時間調整手段６１の出力は、発振器４６と第１コイル３３との間のスイッチ６４と、第２コイル３４と差動増幅回路４８との間のスイッチ６５とに印加され、スイッチ６４、６５は演算増幅器６０の出力がＶ01より大きい時にオンし、小さい時にオフする。その第２通電時間調整手段６３の出力は、発振器４６と第２コイル３４との間のスイッチ６６と、第１コイル３３と差動増幅回路４８との間のスイッチ６７とに印加され、スイッチ６６、６７は演算増幅器６０の出力がＶ01より大きい時にオフし、小さい時にオンする。これにより、図９の（１）に示す発振器４６の出力変動周期の１／２周期毎に、図９の（２）、図９の（３）に示すように両コイル３３、３４は交互に励磁される。また、両コイル３３、３４はそれぞれ励磁されていない時に相互誘導により起電力を生じ、図９の（４）に示すように差動増幅回路４８の出力は相互誘導による起電力に対応する。ここでＶ02は各コイル３３、３４の端子電圧の基準電圧である。その相互誘導による起電力の変化に基づきトルクが検出される。
この第１実施形態において、各コイル３３、３４へ印加する励磁用出力の振幅、通電時間、または振幅と通電時間の両方を変化させることにより、第１コイル３３と第２コイル３４の各々の特性のアンバランスをキャンセルできる。すなわち、基準電圧Ｖ01を変更調節することで、第１コイル３３に印加される励磁用出力電圧の振幅と第２コイル３４に印加される励磁用出力電圧の振幅との比が変化することから、第１コイル３３と第２コイル３４のアンバランスを補正することができる。また、各通電時間調整手段６１、６３により、第１コイル３３への励磁用出力電圧の印加時間と第２コイル３４への励磁用出力電圧の印加時間との比を変化させることでも、第１コイル３３と第２コイル３４のアンバランスを補正することができる。
その基準電圧Ｖ01の変更調節は、例えば可変抵抗を基準電圧Ｖ01の電源と演算増幅器６０との間に設けることで行うことができる。この場合、その可変抵抗は小さな電流しか流れないために定格電力の小さい安価なものを使用できる。また、その基準電圧Ｖ01の電源としてマイコン等を使用したプログラマブルな電圧源を使用することで、可変抵抗を使用する必要がなくなり、この場合は信頼性の高いシステムを構成できる。なお、その第１コイル３３と第２コイル３４のアンバランスを補正するため、抵抗４５、４７を可変抵抗として抵抗値を変化させることが考えられるが、各抵抗４５、４７はコイル３３、３４に直列に接続されるため比較的大きい電流が流れ、定格電力が大きく高価な可変抵抗とする必要がある。
この第１実施形態においては、入力トルクゼロの中点での検出信号の誤差も検出できる。すなわち、入力トルクゼロの状態で発振器４６を停止させ、スイッチ６４、６５、６６、６７を全て閉じることで、第１、第２コイル３３、３４に基準電圧Ｖ01のみが印加される状態にできる。この状態での差動増幅回路４８の出力は、第１コイル３３と第２コイル３４とのアンバランスに起因する中点出力からの誤差に対応する。よって、トルクセンサ１の出力を利用して制御を行う場合に、その誤差をなくすようにトルクセンサ１の出力を補正することで、中点補正のためにトルクセンサ１のメカニカルな構造を調整する面倒な作業が不要になる。
【００２５】
図１０は、そのトルク検出回路の第２実施形態を示す。この第２実施形態において上記第１実施形態と同様部分は同一符号で示し、第１実施形態との相違点を説明する。この第２実施形態では、発振器４６とスイッチ６４、６６との間に、上限値設定回路７１と下限値設定回路７２とが直列に設けられている。その上限値設定回路７１は可変電圧ＶH の変化に応じて発振器４６の出力値の上限値を変化させ、その下限値設定回路７２は可変電圧ＶL の変化に応じて発振器４６の出力値の下限値を変化させる。例えば、図９の（１）において実線で示す発振器４６の振幅が２点鎖線で示すように変化する。これにより、各コイル３３、３４へ印加する励磁用出力の振幅を変化させることにより、第１コイル３３と第２コイル３４の各々の特性のアンバランスをキャンセルできる。すなわち、可変電圧ＶH 及び可変電圧ＶL を変更調節することで、第１コイル３３に印加される励磁用出力電圧の振幅と第２コイル３４に印加される励磁用出力電圧の振幅との比が変化することから、第１コイル３３と第２コイル３４のアンバランスを補正することができる。なお、その第１コイル３３に印加される励磁用出力電圧の振幅と第２コイル３４に印加される励磁用出力電圧の振幅との比を、上限値設定回路７１と下限値設定回路７２の中の何れか一方のみを設けるだけで変化させるようにしてもよい。
【００２６】
図１１、図１２は、そのトルク検出回路の第３実施形態を示す。この第３実施形態において上記第１実施形態と同様部分は同一符号で示し、第１実施形態との相違を説明する。この第３実施形態では、第１通電時間調整手段６１、第２通電時間調整手段６３は設けられず、発振器４６の出力と基準電圧Ｖ01との偏差に対応する信号を出力する演算増幅器６０の出力はスイッチ６５に印加され、インバータ６２を介してスイッチ６７に印加される。また、基準変更用電圧Ｖ03の第１可変抵抗８３を介する出力電圧ＶH から発振器４６の出力を差し引いた偏差に対応する信号を出力する演算増幅器８１の出力はスイッチ６４に印加され、発振器４６の出力から基準変更用電圧Ｖ03の第２可変抵抗８４を介する出力電圧ＶL を差し引いた偏差に対応する信号を出力する演算増幅器８２の出力はスイッチ６６に印加される。これにより、図１２の（１）に示す発振器４６の出力が電圧ＶH 以上の時に図１２の（２）に示すように第１コイル３３が励磁され、発振器４６の出力が電圧ＶL 以下の時に図１２の（３）に示すように第３コイル３４が励磁される。これにより、両コイル３３、３４の相互誘導による起電力に対応して図１２の（４）に示す差動増幅回路４８の出力が得られる。
この第３実施形態においては、各コイル３３、３４へ印加する励磁用出力の通電時間は電圧ＶH 、ＶL に応じて変化することから、第１コイル３３への通電時間と第２コイル３４への通電時間との比を調整して各々の特性のアンバランスを補正することができる。
【００２７】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では規制側開口４１の第１部分４１ａと第２部分４１ｂとを互いからシャフト周方向においてずらして配置したが、この配置に代えて、あるいはこの配置と共に、通過側開口４２の第１部分と第２部分とを互いからシャフト周方向においてずらして配置してもよい。各回転板に形成される開口は、上記各実施形態においては周囲が閉じた開口であるが、各回転板の外周側や内周側において開放された開口であってもよい。また、第１シャフト３の一端側をステアリングギアに接続し、第２シャフト４の他端側をステアリングホイールに接続するようにしてもよい。さらに、本発明のトルクセンサをステアリング装置以外においてトルクを検出するために用いてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、感度向上、構造の簡単化、コスト低減を図ることができるコンパクトなトルクセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のトルクセンサの断面図
【図２】本発明の実施形態のトルクセンサの要部の断面図
【図３】本発明の実施形態のトルクセンサの規制側回転板の部分正面図
【図４】本発明の実施形態のトルクセンサの通過側回転板の部分正面図
【図５】本発明の実施形態のトルクセンサの部分正断面図
【図６】本発明の第１比較例のトルクセンサにおけるトルク検出回路を示す図
【図７】本発明の第２比較例におけるトルク検出回路を示す図
【図８】本発明の第１実施形態におけるトルク検出回路を示す図
【図９】本発明の第１実施形態におけるトルク検出回路の（１）は発振器の出力波形を示す図、（２）は第１コイルの出力波形を示す図、（３）は第２コイルの出力波形を示す図、（４）は作動増幅回路の出力波形を示す図
【図１０】本発明の第２実施形態におけるトルク検出回路を示す図
【図１１】本発明の第３実施形態におけるトルク検出回路を示す図
【図１２】本発明の第３実施形態におけるトルク検出回路の（１）は発振器の出力波形を示す図、（２）は第１コイルの出力波形を示す図、（３）は第２コイルの出力波形を示す図、（４）は作動増幅回路の出力波形を示す図
【符号の説明】
１ トルクセンサ
３ 第１シャフト
４ 第２シャフト
１１ 規制側回転板
１２ 通過側回転板
３１ コイルホルダー
３３ 第１コイル
３４ 第２コイル
４１ 規制側開口
４１ａ 第１部分
４１ｂ 第２部分
４２ 通過側開口
４２ａ 第１部分
４２ｂ 第２部分
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば操舵トルクに応じた操舵補助力を付与するパワーステアリング装置において、その操舵トルクを検出するのに適したトルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば車両のパワーステアリング装置においては、ステアリングホイールの回転をステアリングシャフトを介して車輪に伝達する際、そのステアリングシャフトにより伝達されるトルクをトルクセンサにより検出し、その検出トルクの大きさに応じて操舵補助力を付与している。
【０００３】
例えば、特開平２‐１３２３３６号公報に開示されたトルクセンサは、第１のシャフト部分と、この第１のシャフト部分に対して同軸心かつ弾性的に相対回転可能な第２のシャフト部分と、その第１のシャフト部分と同行回転可能、且つ、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する第１の回転板と、その第２のシャフト部分と同行回転可能、且つ、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する第２の回転板と、シャフト軸心まわりに巻かれる導線により構成されると共に、交番磁界を生じるように磁束を発生させる第１、第２のコイルとを備えている。その第１、第２の回転板は共に導電性非磁性材製とされている。その第１のコイルのシャフト径方向内方に第２のコイルが配置されている。シャフト軸方向において、その第１の回転板は第２の回転板と両コイルとの間に配置されている。各回転板は両コイルの発生磁束の通過位置に配置されている。各回転板に、第１コイルの発生磁束の通過位置に配置される第１部分と第２コイルの発生磁束の通過位置に配置される第２部分とを有する開口が形成されている。シャフト軸方向において、その第１の回転板の開口の第１部分と第２の回転板との重なり面積が、両シャフトが一方向に相対回転する時は変化し、他方向に相対回転する時は変化しないように、その第１の回転板の開口の第１部分と第２の回転板の開口の第１部分とは相対配置されている。また、シャフト軸方向において、その第１の回転板の開口の第２部分と第２の回転板との重なり面積が、両シャフトが一方向に相対回転する時は変化せず、他方向に相対回転する時は変化するように、その第１の回転板の開口の第２部分と第２の回転板の開口の第２部分とは相対配置されている。これにより、両シャフトが一方向に相対回転する時は、第１の回転板の開口の第１部分と第２の回転板との重なり面積の変化に応じた第１コイルの出力変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出される。また、両シャフトが他方向に相対回転する時、第１の回転板の開口の第２部分と第２の回転板との重なり面積の変化に応じた第２コイルの出力変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のトルクセンサでは、トルクの検出感度が低く、また、温度変化による検出値変動を補償できないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決することのできるトルクセンサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のトルクセンサは、第１シャフトと、その第１シャフトに同軸心かつ弾性的に相対回転可能に連結される第２シャフトと、その第１シャフトと同行回転可能、且つ、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する導電性の非磁性材製規制側回転板と、その第２シャフトと同行回転可能、且つ、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する磁性材製通過側回転板と、シャフト軸心まわりに巻かれる導線により構成されると共に、交番磁界を生じるように磁束を発生させる第１コイルと、シャフト軸心まわりに巻かれる導線により構成されると共に、交番磁界を生じるように磁束を発生させる第２コイルとを備え、その第１コイルのシャフト径方向内方に第２コイルが配置され、シャフト軸方向において、その規制側回転板は、その通過側回転板と両コイルとの間に配置され、その規制側回転板と通過側回転板とは、両コイルの発生磁束の通過位置に配置され、その規制側回転板に、第１コイルの発生磁束が通過する第１部分と第２コイルの発生磁束が通過する第２部分とを有する規制側開口が形成され、その通過側回転板に、第１コイルの発生磁束が通過する第１部分と第２コイルの発生磁束が通過する第２部分とを有する通過側開口が形成され、シャフト軸方向において、その規制側開口の第１部分と通過側回転板との重なり面積が、両シャフトが一方向に相対回転する時は増加し他方向に相対回転する時は減少するように、その規制側開口の第１部分と通過側開口の第１部分とは相対配置され、シャフト軸方向において、その規制側開口の第２部分と通過側回転板との重なり面積が、両シャフトが一方向に相対回転する時は減少し他方向に相対回転する時は増加するように、その規制側開口の第２部分と通過側開口の第２部分とは相対配置され、両シャフトの検出原点位置からの相対回転時において、その規制側開口の第１部分と通過側回転板との重なり面積の変化による第１コイルの出力変化の絶対値と、その規制側開口の第２部分と通過側回転板との重なり面積の変化による第２コイルの出力変化の絶対値とは互いに等しくされ、前記第１コイルと前記第２コイルは発振器に接続され、前記第１コイルと前記第２コイルは、前記発振器の出力変動周期の１／２周期毎に交互に励磁されると共に励磁されていない時は相互誘導により起電力を生じるように、交互に通電され、その第１コイルの出力変化と第２コイルの出力変化との差に対応するその相互誘導による起電力の変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出されることを特徴とする。
その通過側回転板を構成する磁性材としては、トルクセンサを構成する上で必要な磁気特性に優れた例えば軟質磁性金属材料や磁性樹脂材料を用いることができる。その規制側回転板を構成する導電性を有する非磁性材としては、アルミニウム等の導電性に優れると共に透磁率の小さい常磁性体を用いることができる。
上記構成においては、トルク伝達時における両シャフトの相対回転により、規制側回転板の開口と通過側回転板の開口との重なり状態が変化する。これにより、その規制側回転板の開口の第１部分と通過側回転板との重なり面積と、規制側回転板の開口の第２部分と通過側回転板との重なり面積とが、両シャフトの相対回転量に応じて変化する。その通過側回転板は磁性材製であり、その規制側回転板は非磁性材製であるので、各重なり面積の変化に応じて通過側回転板の通過磁束が変化する。また、各コイルの磁束発生に基づき生じる交番磁界内で規制側回転板に生じる渦電流によっても、その通過側回転板に至る磁束が遮られる。各重なり面積は、両シャフトの相対回転により一方が増加すると共に他方が減少することから、規制側回転板の開口の第１部分と通過側回転板との重なり面積変化に応じた通過側回転板の通過磁束変化に対応する第１コイルの出力変化と、規制側回転板の開口の第２部分と通過側回転板との重なり面積変化に応じた通過側回転板の通過磁束変化に対応する第２コイルの出力変化とは、絶対値が等しく符号が逆になる。その第１コイルの出力変化と第２コイルの出力変化との差に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクを検出することで、トルク検出感度を増大できる。しかも、温度が変動した場合、第１コイルの出力と第２コイルの出力とは同じだけ変化するので、両出力の差に基づきトルクを検出することで温度変動による検出トルクの変動を相殺できる。よって、検出感度を向上すると同時に温度変化による検出値変動の補償ができる。しかもシャフト軸方向寸法が従来よりも大きくなることはなく、コンパクトな構造にできる。
【０００７】
前記両コイルを保持する磁性材製のコイルホルダーを備え、そのコイルホルダーは、その第１コイルの外周に対向する筒状の外周部分と、その第２コイルの内周に対向する筒状の内周部分と、その第１コイルの内周と第２コイルの外周とに対向する筒状の中間部分と、その外周部分と内周部分と中間部分それぞれにおける前記両回転板から離れた側の各一端部を連結する環状部分とを有するのが好ましい。
これにより単一のコイルホルダーにより両コイルを保持できるので、構造の簡単化とコスト低減を図ることができる。
【０００８】
前記通過側回転板の外周に、周方向に沿って複数の凸部が等間隔をおいて形成され、その通過側回転板の回転による各凸部の位置変化に基づき、その通過側回転板の回転角に対応する信号を出力するセンサを備えるのが好ましい。
これにより、通過側回転板をシャフト回転角の検出に利用でき、その回転角の検出構造の簡単化を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に示すトルクセンサ１は、車両のパワーステアリング装置における操舵トルクを検出するために用いられる。そのトルクセンサ１は、ハウジング２と、第１シャフト３と、第２シャフト４とを備えている。その第１シャフト３は、軸受５を介してハウジング２により支持され、ブッシュ６を介して第２シャフト４の一端に形成された凹部４ａの内周により支持される。その第２シャフト４は、軸受７を介してハウジング２により支持される。その検出トルクに応じて操舵補助力が付与される。
【００１０】
その第１シャフト３に形成された軸方向孔３ａと、その第２シャフト４の凹部４ａとにトーションバー８が挿入されている。そのトーションバー８の一端はピン９により第１シャフト３に同行回転するように連結され、他端はセレーション１０を介して第２シャフト４に同行回転するように連結されている。これにより、その第２シャフト４は、第１シャフト３と同軸心に配置されると共に、第１シャフト３に弾性的に相対回転可能に連結されている。その第１シャフト３の一端側はステアリングホイール（図示省略）に接続され、その第２シャフト４の他端側は例えばラックピニオン式ステアリングギア等のステアリングギアに接続される。これにより、操舵のためのステアリングホイールの回転が第１、第２シャフト３、４を介して車輪に伝達され、操舵角が変化する。
【００１１】
その第１シャフト３は、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する円環状の規制側回転板１１に、同軸心に同行回転するように連結されている。本実施形態では、その規制側回転板１１は、第１シャフト３の外周に圧入される筒体１３と一体的に形成されるが、その規制側回転板１１と第１シャフト３との連結手段は特に限定されない。この規制側回転板１１は、アルミニウム等の導電性を有する非磁性材製とされている。
【００１２】
その第２シャフト４は、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する円環状の通過側回転板１２に、同軸心に同行回転するように連結されている。本実施形態では、その通過側回転板１２は第２シャフト４の外周に圧入される筒体１４と一体的に形成されるが、その通過側回転板１２と第２シャフト４との連結手段は特に限定されない。その通過側回転板１２は、軟質磁性金属材料等の磁性材製とされている。図２に示すように、本実施形態の通過側回転板１２は軟質磁性金属材製の複数の薄板１２′を積層することで構成され、交番磁界下において生じる渦電流が抑制されている。
【００１３】
そのハウジング２の内周に、磁性材製のコイルホルダー３１が挿入されている。そのコイルホルダー３１により第１コイル３３と第２コイル３４が保持される。各コイル３３、３４は、絶縁材製のボビン３６、３７にシャフト軸心まわりに巻かれる導線３３ａ、３４ａにより構成され、後述のようにトルク検出回路を構成し、交番磁界を生じるように磁束を発生させる。その第１コイル３３のシャフト径方向内方に第２コイル３４が配置される。
【００１４】
シャフト軸方向において、その規制側回転板１１は、その通過側回転板１２と両コイル３３、３４との間に配置され、その規制側回転板１１と通過側回転板１２とは、両コイル３３、３４の発生磁束の通過位置に配置される。
【００１５】
そのコイルホルダー３１は、第１コイル３３の外周に対向する円筒状の外周部分３１ａと、その第２コイル３４の内周に対向する円筒状の内周部分３１ｂと、その第１コイル３３の内周と第２コイル３４の外周とに対向する円筒状の中間部分３１ｃと、その外周部分３１ａと内周部分３１ｂと中間部分３１ｃそれぞれにおける前記両回転板１１、１２から離れた側の各一端部を連結する円環状部分３１ｄとを有する。このコイルホルダー３１は、外周部分３１ａがハウジングの内周に嵌め合わされることでハウジング２に固定され、内周部分３１ｂは第１シャフト３の外周を隙間を介して囲むように配置される。そのコイルホルダー３１と規制側回転板１１との間、規制側回転板１１と通過側回転板１２との間には、それぞれシャフト軸方向における隙間が形成されている。
【００１６】
図３に示すように、その規制側回転板１１に複数の規制側開口４１が形成されている。各規制側開口４１は、シャフト径方向において外方側に位置する第１部分４１ａと内方側に位置する第２部分４１ｂとに分離され、その第１部分４１ａを第１コイル３３の発生磁束が通過し、その第２部分４１ｂを第２コイル３４の発生磁束が通過する。各第１部分４１ａは、シャフト周方向において等間隔で並列し、互いに形状と大きさが同一とされ、シャフト径方向に沿う一対の縁と、両シャフト３、４の軸心を中心とする円周に沿う一対の縁とを有する４辺形に沿う形状を有する。各第２部分４１ｂは、シャフト周方向において等間隔で並列し、互いに形状と大きさが同一とされ、シャフト径方向に沿う一対の縁と、両シャフト３、４の軸心を中心とする円周に沿う一対の縁とを有する４辺形に沿う形状を有する。各第１部分４１ａのシャフト径方向に沿う一対の縁がなす角と、各第２部分４１ｂのシャフト径方向に沿う一対の縁がなす角とは互いに等しくされている。また、第１コイル３３と第２コイル３４の出力変化が、絶対値が等しく符号が逆になるように、それぞれの部分４１ａ、４１ｂのシャフト径方向に沿う縁の寸法が定められている。各規制側開口４１において、第１部分４１ａと第２部分４１ｂとは互いからシャフト周方向にずれて配置され、本実施形態では、それぞれのシャフト周方向における中央位置が互いに対してシャフト周方向寸法の１／２だけずれて配置されている。
【００１７】
図４に示すように、その通過側回転板１２に規制側開口４１と同数の通過側開口４２が、シャフト周方向において等間隔で並列するように形成されている。各通過側開口４２は互いに形状と大きさが同一とされ、シャフト径方向に沿う一対の縁と、両シャフト３、４の軸心を中心とする円周に沿う一対の縁とを有する４辺形に沿う形状を有する。シャフト径方向において、各通過側開口４２の外方側は第１コイル３３の発生磁束が通過する第１部分４２ａとされ、内方側は第２コイル３４の発生磁束が通過する第２部分４２ｂとされている。各通過側開口４２のシャフト径方向に沿う一対の縁がなす角は、各規制側開口４１における各部分４２ａ、４２ｂのシャフト径方向に沿う一対の縁がなす角に等しくされている。各通過側開口４２における径方向外方側の円周に沿う縁は、各規制側開口４１の第１部分４１ａにおける径方向外方側の円周に沿う縁よりも径方向外方側に位置する。各通過側開口４２における径方向内方側の円周に沿う縁は、各規制側開口４１の第２部分４１ｂにおける径方向内方側の円周に沿う縁よりも径方向内方側に位置する。
【００１８】
その通過側回転板１２の外周に、周方向に沿って複数の凸部５０が等間隔をおいて形成されている。その通過側回転板１２の回転による各凸部５０の位置変化に基づき、その通過側回転板１２の回転角に対応する信号を検出するセンサ５１がハウジング２に取り付けられている。本実施形態では、そのセンサ５１として磁気抵抗センサが用いられている。
【００１９】
図５に示すように、両シャフト３、４が相対回転していない検出原点位置にある時、すなわち舵角が零の時、シャフト軸方向において、規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側開口４２の第１部分４２ａとは互いに部分的に重なり、また、規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側開口４２の第２部分４２ｂとは互いに部分的に重なり、この時、その規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側回転板１２との重なり面積は、規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側回転板１２との重なり面積に等しくされている。また、上記のように規制側開口４１の第１部分４１ａと第２部分４１ｂとが互いからシャフト周方向においてずらして配置されることで、シャフト軸方向において、規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側回転板１２との重なり面積が、両シャフト３、４が一方向に相対回転する時は増加し他方向に相対回転する時は減少するように、その規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側開口４２の第１部分４２ａとは相対配置されている。また、シャフト軸方向において、規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側回転板１２との重なり面積が、両シャフト３、４が一方向に相対回転する時は減少し他方向に相対回転する時は増加するように、その規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側開口４２の第２部分４２ｂとは相対配置されている。両シャフト３、４の相対回転時において、その規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側回転板１２との重なり面積の変化の絶対値と、その規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側回転板１２との重なり面積の変化の絶対値とは互いに等しくされている。
【００２０】
図２において二点鎖線βで示すように、第１コイル３３の発生磁束がコイルホルダー３１、規制側開口４１の第１部分４１ａ、通過側回転板１２を通過することで、そのコイルホルダー３１および通過側回転板１２を構成要素として含む第１磁気回路が構成される。また、第２コイル３４の発生磁束がコイルホルダー３１、規制側開口４１の第２部分４１ｂ、通過側回転板１２を通過することで、そのコイルホルダー３１および通過側回転板１２を構成要素として含む第２磁気回路が構成される。
【００２１】
上記構成においては、トルク伝達時における両シャフト３、４の相対回転時に、規制側開口４１と通過側開口４２との重なり状態が変化する。これにより、その規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側回転板１２との重なり面積と、規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側回転板１２との重なり面積とが、両シャフト３、４の相対回転量に応じて変化する。その通過側回転板１２は磁性材製であり、その規制側回転板１１は非磁性材製であるので、各重なり面積の変化に応じて通過側回転板１２の通過磁束が変化する。また、各コイル３３、３４の磁束発生に基づき生じる交番磁界内で規制側回転板１１に生じる渦電流によっても、その通過側回転板１２に至る磁束が遮られる。各重なり面積は、両シャフト３、４の相対回転により一方が増加すると共に他方が減少することから、規制側開口４１の第１部分４１ａと通過側回転板１２との重なり面積変化に応じた通過側回転板１２の通過磁束変化に対応する第１コイル３３の出力変化と、規制側開口４１の第２部分４１ｂと通過側回転板１２との重なり面積変化に応じた通過側回転板１２の通過磁束変化に対応する第２コイル３４の出力変化とは、絶対値が等しく符号が逆になる。その第１コイル３３の出力変化と第２コイル３４の出力変化との差に基づき、両シャフト３、４により伝達されるトルクを検出することで、トルク検出感度を増大できる。しかも、温度が変動した場合、第１コイル３３の出力と第２コイル３４の出力とは同じだけ変化するので、両出力の差に基づきトルクを検出することで温度変動による検出トルクの変動を相殺できる。よって、検出感度を向上すると同時に温度変化による検出値変動の補償ができる。
【００２２】
図６は第１比較例のトルク検出回路を示す。すなわち、各コイル３３、３４は例えばハウジング２に取り付けられるプリント基板（図示省略）上の回路とで図６に示すトルク検出回路を構成する。すなわち、そのトルク検出回路においては、第１コイル３３は抵抗４５を介して発振器４６に接続され、第２コイル３４は抵抗４７を介して発振器４６に接続され、各コイル３３、３４は差動増幅回路４８に接続される。これにより、両シャフト３、４間でのトルク伝達によりトーションバー８が捩れることで両シャフト３、４が弾性的に相対回転し、その伝達トルクに応じて規制側開口４１と通過側回転板１２との重なり面積が変化し、その重なり面積の変化により通過側回転板１２の通過磁束が変化することで、第１、第２コイル３３、３４の出力が変化する。その規制側開口４１の第１部分４１ａと重なる通過側回転板１２の通過磁束の変化と、規制側開口４１の第２部分４１ｂと重なる通過側回転板１２の通過磁束の変化との差に対応する差動増幅回路４８の出力に基づき、両シャフト３、４により伝達されるトルクが検出される。その差動増幅回路４８から出力される伝達トルクに対応した信号に応じて駆動されるモータ等の図外アクチュエータにより操舵補助力が付与される。その操舵補助力の付与機構は公知の構成を採用できる。
【００２３】
図７は、そのトルク検出回路の第２比較例を示す。この比較例において上記比較例と同様部分は同一符号で示し、上記比較例との相違を説明する。この第２比較例では、第１コイル３３と第２コイル３４をそれぞれブリッジ回路の１つのアームを構成するように直列に配置することで、温度変動による検出トルクの変動を相殺するようにしている。
【００２４】
図８、図９は、そのトルク検出回路の第１実施形態を示す。この第１実施形態において上記比較例と同様部分は同一符号で示し、上記比較例との相違を説明する。この第１実施形態では、第１コイル３３と第２コイル３４に交互に通電する。すなわち、発振器４６の出力と基準電圧Ｖ01との偏差に対応する信号を出力する演算増幅器６０は、第１通電時間調整手段６１、インバータ６２、第２通電時間調整手段６３に直列に接続される。その第１通電時間調整手段６１の出力は、発振器４６と第１コイル３３との間のスイッチ６４と、第２コイル３４と差動増幅回路４８との間のスイッチ６５とに印加され、スイッチ６４、６５は演算増幅器６０の出力がＶ01より大きい時にオンし、小さい時にオフする。その第２通電時間調整手段６３の出力は、発振器４６と第２コイル３４との間のスイッチ６６と、第１コイル３３と差動増幅回路４８との間のスイッチ６７とに印加され、スイッチ６６、６７は演算増幅器６０の出力がＶ01より大きい時にオフし、小さい時にオンする。これにより、図９の（１）に示す発振器４６の出力変動周期の１／２周期毎に、図９の（２）、図９の（３）に示すように両コイル３３、３４は交互に励磁される。また、両コイル３３、３４はそれぞれ励磁されていない時に相互誘導により起電力を生じ、図９の（４）に示すように差動増幅回路４８の出力は相互誘導による起電力に対応する。ここでＶ02は各コイル３３、３４の端子電圧の基準電圧である。その相互誘導による起電力の変化に基づきトルクが検出される。
この第１実施形態において、各コイル３３、３４へ印加する励磁用出力の振幅、通電時間、または振幅と通電時間の両方を変化させることにより、第１コイル３３と第２コイル３４の各々の特性のアンバランスをキャンセルできる。すなわち、基準電圧Ｖ01を変更調節することで、第１コイル３３に印加される励磁用出力電圧の振幅と第２コイル３４に印加される励磁用出力電圧の振幅との比が変化することから、第１コイル３３と第２コイル３４のアンバランスを補正することができる。また、各通電時間調整手段６１、６３により、第１コイル３３への励磁用出力電圧の印加時間と第２コイル３４への励磁用出力電圧の印加時間との比を変化させることでも、第１コイル３３と第２コイル３４のアンバランスを補正することができる。
その基準電圧Ｖ01の変更調節は、例えば可変抵抗を基準電圧Ｖ01の電源と演算増幅器６０との間に設けることで行うことができる。この場合、その可変抵抗は小さな電流しか流れないために定格電力の小さい安価なものを使用できる。また、その基準電圧Ｖ01の電源としてマイコン等を使用したプログラマブルな電圧源を使用することで、可変抵抗を使用する必要がなくなり、この場合は信頼性の高いシステムを構成できる。なお、その第１コイル３３と第２コイル３４のアンバランスを補正するため、抵抗４５、４７を可変抵抗として抵抗値を変化させることが考えられるが、各抵抗４５、４７はコイル３３、３４に直列に接続されるため比較的大きい電流が流れ、定格電力が大きく高価な可変抵抗とする必要がある。
この第１実施形態においては、入力トルクゼロの中点での検出信号の誤差も検出できる。すなわち、入力トルクゼロの状態で発振器４６を停止させ、スイッチ６４、６５、６６、６７を全て閉じることで、第１、第２コイル３３、３４に基準電圧Ｖ01のみが印加される状態にできる。この状態での差動増幅回路４８の出力は、第１コイル３３と第２コイル３４とのアンバランスに起因する中点出力からの誤差に対応する。よって、トルクセンサ１の出力を利用して制御を行う場合に、その誤差をなくすようにトルクセンサ１の出力を補正することで、中点補正のためにトルクセンサ１のメカニカルな構造を調整する面倒な作業が不要になる。
【００２５】
図１０は、そのトルク検出回路の第２実施形態を示す。この第２実施形態において上記第１実施形態と同様部分は同一符号で示し、第１実施形態との相違点を説明する。この第２実施形態では、発振器４６とスイッチ６４、６６との間に、上限値設定回路７１と下限値設定回路７２とが直列に設けられている。その上限値設定回路７１は可変電圧ＶH の変化に応じて発振器４６の出力値の上限値を変化させ、その下限値設定回路７２は可変電圧ＶL の変化に応じて発振器４６の出力値の下限値を変化させる。例えば、図９の（１）において実線で示す発振器４６の振幅が２点鎖線で示すように変化する。これにより、各コイル３３、３４へ印加する励磁用出力の振幅を変化させることにより、第１コイル３３と第２コイル３４の各々の特性のアンバランスをキャンセルできる。すなわち、可変電圧ＶH 及び可変電圧ＶL を変更調節することで、第１コイル３３に印加される励磁用出力電圧の振幅と第２コイル３４に印加される励磁用出力電圧の振幅との比が変化することから、第１コイル３３と第２コイル３４のアンバランスを補正することができる。なお、その第１コイル３３に印加される励磁用出力電圧の振幅と第２コイル３４に印加される励磁用出力電圧の振幅との比を、上限値設定回路７１と下限値設定回路７２の中の何れか一方のみを設けるだけで変化させるようにしてもよい。
【００２６】
図１１、図１２は、そのトルク検出回路の第３実施形態を示す。この第３実施形態において上記第１実施形態と同様部分は同一符号で示し、第１実施形態との相違を説明する。この第３実施形態では、第１通電時間調整手段６１、第２通電時間調整手段６３は設けられず、発振器４６の出力と基準電圧Ｖ01との偏差に対応する信号を出力する演算増幅器６０の出力はスイッチ６５に印加され、インバータ６２を介してスイッチ６７に印加される。また、基準変更用電圧Ｖ03の第１可変抵抗８３を介する出力電圧ＶH から発振器４６の出力を差し引いた偏差に対応する信号を出力する演算増幅器８１の出力はスイッチ６４に印加され、発振器４６の出力から基準変更用電圧Ｖ03の第２可変抵抗８４を介する出力電圧ＶL を差し引いた偏差に対応する信号を出力する演算増幅器８２の出力はスイッチ６６に印加される。これにより、図１２の（１）に示す発振器４６の出力が電圧ＶH 以上の時に図１２の（２）に示すように第１コイル３３が励磁され、発振器４６の出力が電圧ＶL 以下の時に図１２の（３）に示すように第３コイル３４が励磁される。これにより、両コイル３３、３４の相互誘導による起電力に対応して図１２の（４）に示す差動増幅回路４８の出力が得られる。
この第３実施形態においては、各コイル３３、３４へ印加する励磁用出力の通電時間は電圧ＶH 、ＶL に応じて変化することから、第１コイル３３への通電時間と第２コイル３４への通電時間との比を調整して各々の特性のアンバランスを補正することができる。
【００２７】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態では規制側開口４１の第１部分４１ａと第２部分４１ｂとを互いからシャフト周方向においてずらして配置したが、この配置に代えて、あるいはこの配置と共に、通過側開口４２の第１部分と第２部分とを互いからシャフト周方向においてずらして配置してもよい。各回転板に形成される開口は、上記各実施形態においては周囲が閉じた開口であるが、各回転板の外周側や内周側において開放された開口であってもよい。また、第１シャフト３の一端側をステアリングギアに接続し、第２シャフト４の他端側をステアリングホイールに接続するようにしてもよい。さらに、本発明のトルクセンサをステアリング装置以外においてトルクを検出するために用いてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、感度向上、構造の簡単化、コスト低減を図ることができるコンパクトなトルクセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のトルクセンサの断面図
【図２】本発明の実施形態のトルクセンサの要部の断面図
【図３】本発明の実施形態のトルクセンサの規制側回転板の部分正面図
【図４】本発明の実施形態のトルクセンサの通過側回転板の部分正面図
【図５】本発明の実施形態のトルクセンサの部分正断面図
【図６】本発明の第１比較例のトルクセンサにおけるトルク検出回路を示す図
【図７】本発明の第２比較例におけるトルク検出回路を示す図
【図８】本発明の第１実施形態におけるトルク検出回路を示す図
【図９】本発明の第１実施形態におけるトルク検出回路の（１）は発振器の出力波形を示す図、（２）は第１コイルの出力波形を示す図、（３）は第２コイルの出力波形を示す図、（４）は作動増幅回路の出力波形を示す図
【図１０】本発明の第２実施形態におけるトルク検出回路を示す図
【図１１】本発明の第３実施形態におけるトルク検出回路を示す図
【図１２】本発明の第３実施形態におけるトルク検出回路の（１）は発振器の出力波形を示す図、（２）は第１コイルの出力波形を示す図、（３）は第２コイルの出力波形を示す図、（４）は作動増幅回路の出力波形を示す図
【符号の説明】
１ トルクセンサ
３ 第１シャフト
４ 第２シャフト
１１ 規制側回転板
１２ 通過側回転板
３１ コイルホルダー
３３ 第１コイル
３４ 第２コイル
４１ 規制側開口
４１ａ 第１部分
４１ｂ 第２部分
４２ 通過側開口
４２ａ 第１部分
４２ｂ 第２部分
Claims (3)
- 第１シャフトと、
その第１シャフトに同軸心かつ弾性的に相対回転可能に連結される第２シャフトと、
その第１シャフトと同行回転可能、且つ、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する導電性の非磁性材製規制側回転板と、
その第２シャフトと同行回転可能、且つ、シャフト軸方向に直交する表裏面を有する磁性材製通過側回転板と、
シャフト軸心まわりに巻かれる導線により構成されると共に、交番磁界を生じるように磁束を発生させる第１コイルと、
シャフト軸心まわりに巻かれる導線により構成されると共に、交番磁界を生じるように磁束を発生させる第２コイルとを備え、
その第１コイルのシャフト径方向内方に第２コイルが配置され、
シャフト軸方向において、その規制側回転板は、その通過側回転板と両コイルとの間に配置され、
その規制側回転板と通過側回転板とは、両コイルの発生磁束の通過位置に配置され、
その規制側回転板に、第１コイルの発生磁束が通過する第１部分と第２コイルの発生磁束が通過する第２部分とを有する規制側開口が形成され、
その通過側回転板に、第１コイルの発生磁束が通過する第１部分と第２コイルの発生磁束が通過する第２部分とを有する通過側開口が形成され、
シャフト軸方向において、その規制側開口の第１部分と通過側回転板との重なり面積が、両シャフトが一方向に相対回転する時は増加し他方向に相対回転する時は減少するように、その規制側開口の第１部分と通過側開口の第１部分とは相対配置され、
シャフト軸方向において、その規制側開口の第２部分と通過側回転板との重なり面積が、両シャフトが一方向に相対回転する時は減少し他方向に相対回転する時は増加するように、その規制側開口の第２部分と通過側開口の第２部分とは相対配置され、
両シャフトの検出原点位置からの相対回転時において、その規制側開口の第１部分と通過側回転板との重なり面積の変化による第１コイルの出力変化の絶対値と、その規制側開口の第２部分と通過側回転板との重なり面積の変化による第２コイルの出力変化の絶対値とは互いに等しくされ、
前記第１コイルと前記第２コイルは発振器に接続され、
前記第１コイルと前記第２コイルは、前記発振器の出力変動周期の１／２周期毎に交互に励磁されると共に励磁されていない時は相互誘導により起電力を生じるように、交互に通電され、
その第１コイルの出力変化と第２コイルの出力変化との差に対応するその相互誘導による起電力の変化に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出されるトルクセンサ。 - 前記両コイルを保持する磁性材製のコイルホルダーを備え、
そのコイルホルダーは、その第１コイルの外周に対向する筒状の外周部分と、その第２コイルの内周に対向する筒状の内周部分と、その第１コイルの内周と第２コイルの外周とに対向する筒状の中間部分と、その外周部分と内周部分と中間部分それぞれにおける前記両回転板から離れた側の各一端部を連結する環状部分とを有する請求項１に記載のトルクセンサ。 - 前記通過側回転板の外周に、周方向に沿って複数の凸部が等間隔をおいて形成され、
その通過側回転板の回転による各凸部の位置変化に基づき、その通過側回転板の回転角に対応する信号を出力するセンサを備える請求項１または２に記載のトルクセンサ。
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