JP3901193B2 - トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸に発生するトルクを検出するトルクセンサ及び電動パワーステアリング装置に関する。

従来のトルクセンサとしては、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されたものがあり、これら従来のトルクセンサは、回転軸に作用しているトルクをコイルのインピーダンス変化に反映させ、そのインピーダンス変化を検出することによりトルクを検出するようになっている。つまり、コイルは回転軸を包囲するように配設されていて、回転軸のトルクに応じた磁気的或いは機械的な構造変化によって、コイルのインピーダンスを変化させるようになっているから、そのインピーダンス変化をコイルの端子電圧を測定することにより検出すれば、回転軸に発生しているトルクを検出することができるのである。

さらに、上述したような従来のトルクセンサにあっては、温度等のトルク以外の要因によるコイルのインピーダンス変化を相殺するために、トルクによってインピーダンスが互いに逆方向に変化するように二つのコイルを配設し、それら二つのコイルを含むブリッジ回路を形成し、そのブリッジ回路の二つの出力の差に基づいてトルクを検出するようになっている。即ち、トルク以外の要因によってコイルのインピーダンスが変化しても、かかる要因によるインピーダンス変化は、二つのコイルで同じ方向に生じるから、ブリッジ回路の出力電圧の差を求めることにより相殺することができるのである。
特開平４−４７６３８号公報 特開平８−５４７７号公報

しかしながら、従来のトルクセンサにあっては、差動を求めるために設けた二つのコイルは、各個別のコイルボビンに巻き付けられているため、トルク以外の要因によるインピーダンス変化を確実に相殺するためには、特に各コイルボビンに巻き付けられたコイルの巻き付け張力や素線の径にバラツキがないことが重要となるが、通常の製造工程にあっては、コイルボビンに素線を巻き付けるコイル捲線機は、使用状況等に応じて巻き付け張力が時々刻々と変化してしまうし、また、コイル捲線機は複数台が同時に稼働するのが一般的であり、装置間の巻き付け張力にバラツキがあるのは避けられないし、しかも、コイルとなる素線の径等にもバラツキがある。

このため、同一のコイル捲線機によって連続してコイルが巻き付けられた二つのコイルボビンが、最終的に一つのトルクセンサに組み込まれるようにすれば、そのトルクセンサには実質的に同一特性の二つのコイルが用いられるようになるから、トルク以外の要因によるコイルのインピーダンス変化を略確実に相殺することはできるが、これではコイルボビンの管理コストが嵩んでしまう。これに対し、そのような管理を行わない場合には、実質的に同一特性と見なせない二つのコイルが一つのトルクセンサに用いられるということが前提になってしまい、煩雑なブリッジ回路のバランス調整等が必須となるから、やはり製造コストが嵩んでしまう。
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、コスト増大を避けつつ、検出精度の向上が可能で、コイルの素線中途部分同士等で短絡が生じるようなことを回避できるトルクセンサ及び電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、ハウジングに回転自在に支持された回転軸と、この回転軸を包囲するように配設された二つのコイルと、前記回転軸に作用するトルクの変化に応じて前記二つのコイルのインピーダンス差を変化させるインピーダンス可変手段と、を備え、前記二つのコイルの端子間のインピーダンス差に基づいて前記回転軸に発生するトルクを検出するようになっているトルクセンサにおいて、前記回転軸と同軸になるように前記ハウジング側に固定されるコイルボビンを有し、そのコイルボビンは、軸方向に離隔した互いに同軸の二つの同寸法の円筒部を備え、それら円筒部の互いに外側を向く外端側には外側フランジが形成され、前記円筒部の互いに内側を向く内端側には内側フランジが形成され、前記各円筒部の前記外側フランジと内側フランジとで挟まれた部分に前記コイルが巻き付けられる溝が形成されるとともに、前記内側フランジ同士は、前記二つの円筒部間の隙間を跨ぐように径方向外側に突出した部分にある複数の連結部を介して連結されており、前記二つの円筒部は、前記連結部を境に分割可能な構造となっていて、前記連結部のうちの一つは、径方向外側に突出する３本の端子を有する端子取付部であって、前記３本の端子のうち、第１の端子には一方の前記コイルの巻き始めの端部を固定し、第２の端子には他方の前記コイルの巻き終わりの端部を固定し、第３の端子には前記一方のコイルの巻き終わりの端部及び前記他方のコイルの巻き始めの端部を固定することにより、前記二つの溝に前記コイルを一つずつ巻き付けており、前記端子取付部の各面のうち、径方向外側を向く上面には前記３本の端子を固定し、前記コイルが巻き付けられる溝の接線方向を向く両端面のそれぞれには、その接線方向に突出するように凸部を形成し、そして、前記凸部の側面周囲に形成される隙間に、前記端子と前記溝との間に渡される前記コイルの素線を配した。

また、請求項２に係る発明は、ハウジングに回転自在に支持された回転軸と、この回転軸を包囲するように配設された二つのコイルと、前記回転軸に作用するトルクの変化に応じて前記二つのコイルのインピーダンス差を変化させるインピーダンス可変手段と、を備え、前記二つのコイルの端子間のインピーダンス差に基づいて前記回転軸に発生するトルクを検出するようになっているトルクセンサにおいて、前記回転軸と同軸になるように前記ハウジング側に固定されるコイルボビンを有し、そのコイルボビンのフランジに径方向外側及び軸方向外側に突出した端子取付部を形成するとともに、前記端子取付部の各面のうち、径方向外側を向く上面には端子を固定し、他の面には凸部を形成し、そして、前記凸部の側面周囲に形成される隙間に、前記端子と前記コイルが巻き付けられる溝との間に渡される前記コイルの素線を配した。
請求項３に係る発明は、ハウジングに回転自在に支持された回転軸と、この回転軸を包囲するように配設された二つのコイルと、前記回転軸に作用するトルクの変化に応じて前記二つのコイルのインピーダンス差を変化させるインピーダンス可変手段と、を備え、前記二つのコイルの端子間のインピーダンス差に基づいて前記回転軸に発生するトルクを検出するようになっているトルクセンサにおいて、前記回転軸と同軸になるように前記ハウジング側に固定されるコイルボビンを有し、そのコイルボビンのフランジに径方向外側及び軸方向外側に突出した端子取付部を形成するとともに、前記端子取付部の各面のうち、径方向外側を向く上面には端子を固定し、前記コイルが巻き付けられる溝の接線方向を向く両端面のそれぞれには、その接線方向に突出するように凸部を形成し、そして、前記凸部の側面周囲に形成される隙間に、前記端子と前記溝との間に渡される前記コイルの素線を配した。
請求項４に係る発明は、上記請求項２、３に係る発明であるトルクセンサにおいて、前記端子取付部の各面のうち、前記溝側を向く側面には、その溝に近い部分を若干肉厚にすることにより、その端子取り付け部の各面のうち前記溝の接線方向を向く両端面の一方側から他方側に向かうに従ってその溝に近づくように斜め下方に伸びる段差を形成し、その段差にも、前記端子と前記溝との間に渡される前記コイルの素線を配した。

請求項５に係る発明は、ハウジングに回転自在に支持された回転軸と、この回転軸を包囲するように配設された二つのコイルと、前記回転軸に作用するトルクの変化に応じて前記二つのコイルのインピーダンス差を変化させるインピーダンス可変手段と、を備え、前記二つのコイルの端子間のインピーダンス差に基づいて前記回転軸に発生するトルクを検出するようになっているトルクセンサにおいて、前記回転軸と同軸になるように前記ハウジング側に固定されるコイルボビンを有し、そのコイルボビンのフランジに径方向外側及び軸方向外側に突出した端子取付部を形成するとともに、前記端子取付部の各面のうち、径方向外側を向く上面には端子を固定し、前記コイルが巻き付けられる溝側を向く側面には、その溝に近い部分を若干肉厚にすることにより、その端子取り付け部の各面のうち前記溝の接線方向を向く両端面の一方側から他方側に向かうに従ってその溝に近づくように斜め下方に伸びる段差を形成し、そして、前記段差に、前記端子と前記溝との間に渡される前記コイルの素線を配した。

請求項６に係る発明である電動パワーステアリング装置は、トーションバーを介して連結された入力軸及び出力軸と、前記出力軸に操舵補助トルクを付与する電動モータと、前記入力軸及び出力軸間に発生するトルクを検出する前記請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載されたトルクセンサと、このトルクセンサが検出したトルクに応じて前記電動モータを制御するモータ制御回路と、を備えた。

請求項１に係る本発明によれば、回転軸と同軸になるようにハウジング側に固定されるコイルボビンに、軸方向に離隔し且つ前記回転軸と同軸の二つの溝を形成し、それら二つの溝に前記コイルを一つずつ巻き付けたため、それらコイルの張力や素線径のバラツキは極めて小さくすることができ、煩雑な管理等を行わなくても例えば同一規格と見なせる二つのコイルを一つのトルクセンサに組み込むことができるから、コストの大幅な増大を招くことなく、トルク以外の要因によるコイルのインダクタンス変化を確実に相殺することができるという効果が得られる。
また、請求項１〜５に係る発明によれば、コイルの素線中途部分同士等で短絡が生じるようなことを回避できるという効果がある。
さらに、請求項６に係る発明によれば、備えられたトルクセンサの利点を享受し得る電動パワーステアリング装置を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１乃至図１０は本発明の一実施の形態を示す図であって、この実施の形態は、本発明にかかるトルクセンサを、車両の電動パワーステアリング装置に適用したものである。
先ず、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。これら入力軸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て、入力軸２及びトーションバー４間は、それら各端部がスプライン結合されるスリーブ２Ａを介して連結され、トーションバー４の他端側は出力軸３内の深く入り込んだ位置にスプライン結合されている。また、入力軸２及び出力軸３は、鉄等の磁性材料から形成されている。なお、入力軸２，出力軸３及びトーションバー４が、本発明における回転軸に相当する。

そして、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する。

入力軸２端部に固定されたスリーブ２Ａは、出力軸３端部外周面を包囲するような長さを有している。そして、そのスリーブ２Ａの出力軸３端部外周面を包囲する部分の内周面には軸方向に長い複数の凸部２ａが形成され、これら凸部２ａに対向する出力軸３の外周面には軸方向に長い複数（凸部２ａと同数）の溝３ａが形成され、それら凸部２ａ及び溝３ａは周方向に余裕を持って嵌め合わされていて、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。

そして、出力軸３には、これ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の樹脂製の噛合部６ａと、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とが噛み合っている。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。

さらに、入力軸２と一体となっているスリーブ２Ａには、出力軸３の外周面に近接してこれを包囲するように、肉薄の円筒部材８が回転方向に一体に固定されている。
即ち、円筒部材８は導電性で且つ非磁性の材料（例えば、アルミニウム）から形成されていて、この円筒部材８及びその周囲の斜視図である図２にも示すように、円筒部材８の出力軸３を包囲する部分のうち、スリーブ２Ａに近い側には、周方向に等間隔離隔した長方形の複数（この実施例では、九つ）の窓８ａ，…，８ａが形成され、スリーブ２Ａから遠い側には、窓８ａ，…，８ａと位相が１８０度ずれるように周方向に等間隔離隔した長方形（窓８ａと同形状）の複数（この実施例では、九つ）の窓８ｂ，…，８ｂが形成されている。

また、出力軸３の円筒部材８に包囲された部分の外周面には、軸方向に延びる横断面略長方形の複数（窓８ａ，８ｂと同数、従ってこの例では九つ）の溝３Ａが形成されている。
より具体的には、円筒部材８の周面を周方向にＮ（この例ではＮ＝９）等分した角度を一周期角度θ（＝３６０／Ｎ，この例ではθ＝４０度）とし、円筒部材８の出力軸３から遠い側の部分では一周期角度θの一方の端から所定角度の部分が窓８ａ，…，８ａとなり、残りの部分が塞がっており、また、窓８ａ，…，８ａとの位相が半周期（θ／２）ずれるように、円筒部材８の出力軸３に近い側の部分では一周期角度θの他方の端から所定角度の部分が窓８ｂ，…，８ｂとなり、残りの部分が塞がっている。

ただし、トーションバー４に捩じれが生じていないとき（操舵トルクが零のとき）に、窓８ａの周方向幅中央部と、溝３Ａの周方向の一方の端部とが重なり、窓８ｂの周方向幅中央部と、溝３Ａの周方向の他方の端部とが重なり合うようになっている。従って、窓８ａ及び溝３Ａの重なり状態と、窓８ｂ及び溝３Ａの重なり状態とは、周方向で逆になっており、窓８ａ，８ｂの周方向幅中央部と溝３Ａの周方向幅中央部とはそれぞれθ／４ずつずれている。

そして、円筒部材８は、同一規格の二つのコイル１０及び１１が巻き付けられたコイルボビン９で包囲されている。即ち、コイル１０及び１１は、円筒部材８と同軸に配置されていて、コイル１０は窓８ａ，…，８ａが形成された部分を包囲するようにコイルボビン９に巻き付けられ、コイル１１は窓８ｂ，…，８ｂが形成された部分を包囲するようにコイルボビン９に巻き付けられている。

コイルボビン９は、プラスチック等の不導体からなる部材であって、ハウジング１に入力軸２や出力軸３と同軸に固定される。そして、コイルボビン９は、斜視図である図３、平面図である図４、図４のＡ−Ａ線断面図である図５、側面図である図６にそれぞれ示すように、軸方向に離隔した同軸の二つの円周溝９Ａ，９Ｂを有し、一方の円周溝９Ａにはコイル１０が巻き付けられ、他方の円周溝９Ｂにはコイル１１が巻き付けられるようになっている。

より具体的には、コイルボビン９は、空隙９Ｃを介して軸方向に離隔した二つの同寸法の円筒部９Ｄ，９Ｅを有し、それら円筒部９Ｄ，９Ｅの互いに外側を向く外端側には外側フランジ９ａが、互いに対向する内端側には内側フランジ９ｂが形成されている。そして、円筒部９Ｄ及び９Ｅの内側フランジ９ｂ同士が、周方向に１８０度離隔した二位置に形成される連結部９ｃ，９ｄを介して連結されている。連結部９ｃ及び９ｄは、空隙９Ｃを跨ぐように径方向外側に突出した凹形状となっている。

一方の連結部９ｃの径方向外側を向く端面には、そこからさらに径方向外側に突出する略直方体状の端子取付部９Ｆが形成されていて、この端子取付部９Ｆの上面には、金属製の三本の端子１２Ａ，１２Ｂ及び１２Ｃが、径方向外側に突出するように固定されている。これら端子１２Ａ〜１２Ｃは、円周溝９Ａ，９Ｂの接線方向に沿って所定距離隔てて並ぶように固定されている。

なお、ここでは、端子取付部９Ｆを上側に位置させた状態で円筒部９Ｄをその外側フランジ９ａ側から見た場合（図５参照）に、左側に位置する端子を第１の端子１２Ａ、中央に位置する端子を第２の端子１２Ｂ、右側に位置する端子を第３の端子１２Ｃとする。
また、端子取付部９Ｆの両端面には、円周溝９Ａ，９Ｂの接線方向に突出するように、二つの凸部９ｅ，９ｆが形成されている。これら凸部９ｅ，９ｆは、その幅及び高さが端子取付部９Ｆの端面よりも小さくて厚みの薄い凸部である。

さらに、端子取付部９Ｆ及び連結部９ｃの円周溝９Ａ側の側面には、その円周溝９Ａに近い部分を若干肉厚にすることにより、図５において凸部９ｅの下側の位置から斜め右下に伸びる（端子取り付け部９Ｆの両端面の一方側から他方側に向かうに従って円周溝９Ａに近づくように伸びる）細い段差９ｇが形成されている。同様に、端子取付部９Ｆ及び連結部９ｃの円周溝９Ｂ側の側面には、その円周溝９Ｂに近い部分を若干肉厚にすることにより、凸部９ｆの下側の位置から斜めに伸びる（端子取り付け部９Ｆの両端面の一方側から他方側に向かうに従って円周溝９Ｂに近づくように伸びる）細い段差９ｈが形成されている。
このような形状のコイルボビン９の円周溝９Ａ，９Ｂにコイル１０，１１が巻き付けられるのであるが、それらコイル１０，１１の巻き付けは、一のコイル捲線機によって連続して行われるようになっている。

コイル１０，１１の巻き付け手順を図４を伴って詳細に説明すると、先ず、第１の端子１２Ａに、反時計方向に素線を巻き付けた後に、図４（１）で示すように、その素線を図４で左斜め上方に引っ張り、凸部９ｅの円周溝９Ｂ側の側面から下面側に回り込ませて、円周溝９Ａ側に引き出す。円周溝９Ａ側に引き出した素線は、段差９ｇに沿って円周溝９Ａ表面に徐々に近づけ、円周溝９Ａをその外側フランジ９ａ側から見た状態（図５参照）で時計方向に、規定回数だけ円周溝９Ａに巻き付ける。

円周溝９Ａに規定回数だけ巻き付けたら、図４（２）で示すように、再び円周溝９Ａから素線を離し、凸部９ｆの下面から円周溝９Ｂ側の側面を通じて端子取付部９Ｆの上面側に引き出し、そこから第３の端子１２Ｃに反時計方向に数回巻き付ける。そして、図４（３）で示すように、その素線を図４で右斜め下方に引っ張り、凸部９ｆの円周溝９Ａ側の側面から下面側に回り込ませて、円周溝９Ｂ側に引き出す。円周溝９Ｂ側に引き出した素線は、段差９ｈに沿って円周溝９Ｂ表面に徐々に近づけ、円周溝９Ｂをその外側フランジ９ａ側から見た状態で時計方向に、規定回数だけ円周溝９Ｂに巻き付ける。
円周溝９Ｂに規定回数だけ巻き付けたら、図４（４）で示すように、再び円周溝９Ｂから素線を離し、凸部９ｅの下面から円周溝９Ａ側の側面を通じて端子取付部９Ｆの上面側に引き出し、そこから第２の端子１２Ｂに反時計方向に数回巻き付け、これでコイルの巻き付けを完了する。

この状態では、各端子１２Ａ〜１２Ｃには、導線を絶縁体で被覆してなる素線がそのまま巻き付けられているため、各端子１２Ａ〜１２Ｃと素線との間では導通が採られていないが、巻き付けを完了した後に、各端子１２Ａ〜１２Ｃをその先端側から半田槽に浸漬すれば、各端子１２Ａ〜１２Ｃに半田が付着するとともに、その半田の熱によって素線の被覆が溶けるから、各端子１２Ａ〜１２Ｃと素線との間の導通が採られる。しかも、上記のような巻き付け手順であると、図４からも判るように、端子取付部９Ｆ上面において素線同士が交差することがないから、上記半田固定の際に素線同士が途中で短絡することも防止できる。

さらに、図３に分解して示すように、コイルボビン９には、その円周溝９Ａ及び９Ｂを外側から覆うように略円筒形状のヨーク部材１３Ａ，１３Ｂが固定されるとともに、コイルボビン９の空隙９Ｃ内には、略リング状のヨーク部材１３Ｃが嵌め込まれるようになっている。
図３の他に、各ヨーク部材１３Ａ〜１３Ｃを固定した状態での平面図である図７、図７のＢ−Ｂ線断面図である図８、図８のＣ−Ｃ線断面図である図９にも示すように、ヨーク部材１３Ｃは、空隙９Ｃを跨ぐ二つの連結部９ｃ及び９ｄの径方向内側の面と整合するように、その外周面の周方向に１８０度離隔した二位置に平坦部１３ａ，１３ｂが形成されている。

また、ヨーク部材１３Ｃの内径は円筒部９Ｄ，９Ｅの内径と同寸法となっていて、ヨーク部材１３Ｃの外径は内側フランジ部９ｂの外径と同寸法となっている。ただし、ヨーク部材１３Ｃの外周面の平坦部１３ａ，１３ｂから９０度ずつ離隔した二位置には、ヨーク部材１３Ｃと同幅で、ヨーク部材１３Ａ及び１３Ｂの肉厚よりも若干薄い厚さだけ径方向外側に突出するように、凸部１３ｃ，１３ｄが形成されている。このため、ヨーク部材１３Ｃをコイルボビン９の空隙９Ｃに嵌め込むと、凸部１３ｃ，１３ｄが内側フランジ９ｂよりも突出するようになる。

これに対し、ヨーク部材１３Ａ及び１３Ｂは、同形状の部材であって、コイル１０，１１が巻き付けられた状態のコイルボビン９に外嵌する円筒部１３ｄと、コイルボビン９に固定される際に軸方向外側を向く端部に形成されたリング状の底部１３ｅとから構成されていて、底部１３ｅの内径は、コイルボビン９の円筒部９Ｄ，９Ｅの内径と同寸法となっている。
そして、円筒部１３ｄの底部１３ｅとは逆側の端部には、互いに周方向に９０度ずつ離隔して四つの凹部１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊが形成されている。
これら凹部１３ｇ〜１３ｊのうち、凹部１３ｇは端子取付部９Ｆに嵌合する凹部であり、凹部１３ｈは連結部９ｄに嵌合する凹部であり、凹部１３ｉ，１３ｊはヨーク部材１３Ｃの凸部１３ｃ，１３ｄに嵌合する凹部である。

凹部１３ｉ，１３ｊは、その幅方向（周方向）寸法は凸部１３ｃ，１３ｄの長さ方向（周方向）寸法よりも若干小さくなっているが、その深さ方向（軸方向）寸法は凸部１３ｃ，１３ｄの厚さ方向（軸方向）寸法の丁度半分となっている。従って、コイルボビン９に、ヨーク部材１３Ｃを固定するとともに、ヨーク部材１３Ａ，１３Ｂを外嵌させると、それらヨーク部材１３Ａ，１３Ｂの軸方向位置は、凹部１３ｉ，１３ｊの底面が凸部１３ｃ，１３ｄに当接することにより規制される。

一方、凹部１３ｇは、その幅方向寸法は凸部９ｅ及び９ｆを含む端子取付部９Ｆの長さ方向寸法と同じになっているが、その深さ方向寸法は端子取付部９Ｆの厚さ方向寸法の半分よりも大きくなっている。同様に、凹部１３ｈは、その幅方向寸法は連結部９ｄの長さ方向寸法と同じになっているが、その深さ方向寸法は連結部９ｄの厚さ方向寸法の半分よりも若干大きくなっている。従って、コイルボビン９にヨーク部材１３Ａ，１３Ｂを外嵌させると、それらヨーク部材１３Ａ，１３Ｂの回転方向位置は、凹部１３ｇ，１３ｈの内側面が、端子取付部９Ｆ，連結部９ｄの端面に当接することにより規制される。

さらに、凹部１３ｇの寸法を上記のように設定しているため、その凹部１３ｇの内側面は凸部９ｅ，９ｆの端面に当接することになるが、その凸部９ｅ，９ｆの側面，下面と凹部１３ｇ内面との間には隙間が確保される。この結果、凸部９ｅ，９ｆ外面に沿って配設されるコイル１０，１１用の素線が凹部１３ｇ内面と凸部９ｅ，９ｆとの間に挟み込まれるようなことがないから、素線の被覆が破損してヨーク部材１３Ａ，１３Ｂとの間で短絡してしまうことを回避できる。

なお、ハウジング１内のウォームホイール６が配設されている空間とコイルボビン９が配設されている空間との間は、金属製のシール部材１７によって隔離されていて、これによりウォームホイール６及びウォーム７の噛み合い部分に供給される潤滑油がコイルボビン９側に入り込まないようになっている。
そして、各端子１２Ａ〜１２Ｃの端部はハウジング１を貫通してセンサケース１８内に至っており、コイル１０及び１１は、それら各端子１２Ａ〜１２Ｃを介して、センサケース１８内の制御基板１９上に構成されているモータ制御回路に接続されている。

モータ制御回路は、例えば図１０に示すように、所定周波数の交流電流を定電流部２０を介してコイル１０，１１に供給する発振部２１と、コイル１０の端子電圧を整流及び平滑して出力する整流・平滑回路２２と、コイル１１の端子電圧を整流及び平滑して出力する整流・平滑回路２３と、整流・平滑回路２２の出力及び整流平滑回路２３の出力の差を増幅して出力する差動アンプ２４Ａ，２４Ｂと、差動アンプ２４Ａの出力から高周波ノイズ成分を除去するノイズ除去フィルタ２５Ａと、差動アンプ２４Ｂの出力から高周波ノイズ成分を除去するノイズ除去フィルタ２５Ｂと、それらノイズ除去フィルタ２５Ａ，２５Ｂの出力の例えば平均値に基づいて入力軸２及び円筒部材８の相対回転変位の方向及び大きさを演算しその結果に例えば所定の比例定数を乗じて操舵系に発生している操舵トルクを求めるトルク演算部２６と、トルク演算部２６の演算結果に基づいて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部２７と、から構成されている。

なお、本実施の形態では、コイル１０，１１は三つの端子１２Ａ〜１２Ｃを介してモータ制御回路に接続されているが、それら三つの端子のうち、コイル１０の一方の端部（素線の巻き始め端部）が接続される第１の端子１２Ａは、電気抵抗Ｒを介して発振部２１側に接続され、コイル１１の一方の端部（素線の巻き終わり端部）が接続される第２の端子１２Ｂは、他の電気抵抗Ｒを介して発振部２１側に接続され、コイル１０，１１の他方の端部（素線の中間部）が接続される共通の第３の端子１２Ｃは、アース側に接続されている。

次に、本実施の形態の動作を説明する。
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。従って、出力軸３と円筒部材８との間にも、相対回転は生じない。
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し、出力軸３及び円筒部材８間にも相対回転が生じる。

円筒部材８に窓がない状態では、円筒部材８は導電性で且つ非磁性の材料からなるから、コイルに交流電流を流してコイル内部に交番磁界を生じさせると、円筒部材８の外周面にコイル電流と反対方向の渦電流が発生する。
この渦電流による磁界とコイルによる磁界とを重ね合わせると、円筒部材８の内側の磁界は相殺される。円筒部材８に窓８ａ，８ｂを設けた場合、円筒部材８の外周面に生じた渦電流は、窓８ａ，８ｂによって外周面を周回できないため、窓８ａ，８ｂの端面に沿って円筒部材８の内周面側に回り込み、内周面をコイル電流と同方向に流れ、また隣の窓８ａ，８ｂの端面に沿って外周面側に戻り、ループを形成する。

つまり、コイルの内側に、渦電流のループを周方向に周期的に（θ＝３６０／Ｎ）配置した状態となる。コイル電流と渦電流の作る磁界は重ね合わされ、円筒部材８の内外には、周方向に周期的な磁界の強弱と、更に中心に向かうほど小さくなる勾配を持った磁界が形成される。周方向の磁界の強弱は隣り合う渦電流の影響を強く受ける窓８ａ，８ｂの中心部分で強く、そこから半周期（θ／２）ずれたところが弱くなる。

そして、円筒部材８の内側には、磁性材料からなる出力軸３が同軸に配設され、その出力軸３には、溝３Ａによって凸部及び凹部が窓８ａ，８ｂと同じ周期を持って形成されているが、磁界中に置かれた磁性体は磁化して、自発磁化（磁束）を発するがその量は飽和に至るまでは磁界の強さに応じて大きくなる。
このため、円筒部材８によって作られる周方向に周期的な強弱と半径方向に勾配を持つ磁界によって、出力軸３の自発磁化は、円筒部材８との相対的な位相によって増減する。自発磁化が最大となる位相は、窓８ａ，８ｂの中心と凸部の中心とが一致した状態である。

そして、自発磁化の増減に応じて、コイル１０，１１のインダクタンスも増減し、その変化は、ほぼ正弦波状となる。トルクが作用しない状態においては、自発磁化（インダクタンス）が最大となる位相に対して１／４周期（θ／４）ずれた状態となっており、更にスリーブ２Ａに近い側の窓列と他方の窓列との位相は前述のように１／２周期（θ／２）の位相差としてある。

このため、トルクにより円筒部材８と出力軸３に位相差が生じると、二つのコイル１０，１１のインダクタンスの一方は増加し、他方は同じ割合で減少するが、コイル１０，１１のインダクタンスがこのように変化すれば、電流増幅部２６から供給される電流の周波数が一定という条件下では、コイル１０及び１１のインピーダンスも同様の傾向で変化するし、コイル１０及び１１の自己誘導起電力も同様の傾向で変化する。従って、コイル１０及び１１の端子電圧の差を求める差動アンプ２４Ａ及び２４Ｂの出力は、操舵トルクの方向及び大きさに従って変化するようになる。また、差動アンプ２４Ａ及び２４Ｂにおいて整流・平滑回路２２，２３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相殺される。

そして、トルク演算部２６は、ノイズ除去フィルタ２５Ａ，２５Ｂを介して供給される差動アンプ２４Ａ，２４Ｂの出力の平均値を演算し、その値に例えば所定の比例定数を乗じて操舵トルクを求め、その結果をモータ駆動部２７に供給する。モータ駆動部２７は、操舵トルクの方向及び大きさに応じた駆動電流Ｉを電動モータ７に供給する。
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、その回転力がウォームギア等を介して出力軸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。

さらに、本実施の形態にあっては、上記したように温度等による自己インダクタンスの変化を相殺するために二つのコイル１０，１１を設けているが、それらコイル１０，１１を共通のコイルボビン９に巻き付けるようにしており、しかも一のコイル捲線機によって連続して二つのコイル１０，１１を巻き付けるようにしているから、それらコイル１０，１１の張力や素線径のバラツキは極めて小さくすることができる。このため、煩雑な管理等を行わなくても同一規格と見なせる二つのコイル１０，１１を一つのトルクセンサに組み込むことができるし、それらコイル１０，１１間の芯ずれも生じないから、図１０のようなモータ制御回路と接続した段階でのブリッジ回のバランス調整は不要若しくは簡易で済む。よって、コストの大幅な増大を招くことなく、トルク以外の要因によるコイル１０，１１のインダクタンス変化を確実に相殺することができるから、検出精度の高いトルクセンサとすることができるのである。

また、本実施の形態であれば、三つの端子１２Ａ〜１２Ｃに対する素線の巻き付け手順を上述のようにするともに、凸部９ｅ，９ｆの周囲に隙間を形成し、その隙間に素線を配するようにしているから、素線の中途部同士や、素線とヨーク部材１３Ａ，１３Ｂとの間等で短絡が生じるようなことを、より確実に回避することができる。
さらに、本実施の形態では、円筒形のヨーク部材１３Ａ，１３Ｂとリング状のヨーク部材１３Ｃとを適宜嵌め合わせることにより、ヨーク部材１３Ａ〜１３Ｃ全体の芯ずれは生じ難いし、また、ヨーク部材１３Ａ〜１３Ｃの軸心とコイルボビン９の軸心との間のずれも生じ難くなっている。かかる利点も、トルクセンサの検出精度を向上することに寄与する。

また、コイルボビン９を二つのコイル１０，１１で共通の部材としたため、部品点数が削減され、ハウジング１への組み付け工数も削減するから、これによってもコスト低減が図られるという利点もある。
そして、本実施の形態では、上述のような手順でコイルボビン９に素線を巻き付けているため、コイル１０，１１の巻き付け方向は逆であっても、第１の端子１２Ａ及び第２の端子１２Ｂのそれぞれを電気抵抗Ｒを介して電源側に接続し、コイル１０，１１で共通となる第３の端子１２Ｃをアース側に接続しているから、電流の流れる向きはコイル１０，１１で共通となり、コイル１０，１１の極性は同じにすることができるのである。

なお、上記実施の形態では、第１の端子１２Ａ及び第２の端子１２Ｂのそれぞれを電気抵抗Ｒを介して電源側に接続し、第３の端子１２Ｃをアース側に接続しているが、これに限定されるものではなく、例えば、第３の端子１２Ｃを定電流部２０を介して発振部２１側に接続するとともに、第１の端子１２Ａを電気抵抗Ｒを介してアース側に接続し、第２の端子１２Ｂを他の電気抵抗Ｒを介してアース側に接続するようにしても、トルクの検出は可能である。

また、上記実施の形態では、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、これに限定されるものではなく、他の用途のトルクセンサであっても適用可能である。
ここで、本実施の形態にあっては、入力軸２，スリーブ２Ａ，出力軸３，溝３Ａ，トーションバー４及び円筒部材８によってインピーダンス可変手段が構成される。

なお、上記実施の形態では、コイルボビン９を一体成形品としているが、これに限定されるものではなく、例えば図１１に示すように、コイルボビン９を、その連結部９ｃ，９ｄを境に円筒部９Ｄ，９Ｅ毎に分割できる構造としてもよい。つまり、円筒部９Ｄ，９Ｅ毎に二つに分割された各部材をそれぞれ成形し、それらを後に組み合わせてコイルボビン９とし、コイル１０，１１を巻き付けるようにしてもよく、このようにコイルボビン９を分割型にすれば、複雑な形状であっても容易に且つ安価に製造することができる。また、コイルボビン９の組立て時の手間を簡易にするために、図１１に示すように、分割された各連結部９ｃ，９ｄのそれぞれの当接面に互いに嵌まり合うように凹部９ｉや凸部９ｊを形成するようにしてもよい。

本発明の一実施の形態を示す全体の断面図である。 コイル及びその周辺の構造を示す斜視図である。 コイルボビン及びヨーク部材の組立状態を示す斜視図である。 コイルボビンの平面図である。 図４のＡ−Ａ線断面図である。 コイルボビンの側面図である。 ヨーク部材を組み付けた状態でのコイルボビンの平面図である。 図７のＢ−Ｂ線断面図である。 図８のＣ−Ｃ線断面図である。 モータ制御回路の一例を示す回路図である。 コイルボビンを分割型にした場合の斜視図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 入力軸（回転軸）
３ 出力軸（回転軸）
３ Ａ溝
４ トーションバー（回転軸）
８ 円筒部材
８ ａ，８ｂ窓
９ コイルボビン
９Ａ，９Ｂ 円周溝
９Ｆ 端子取付部
１０，１１ コイル
１２Ａ〜１２Ｃ 端子
１３Ａ〜１３Ｃ ヨーク部材
２０ 定電流部
２１ 発振部
２２，２３ 整流・平滑回路
２４Ａ，２４Ｂ 差動アンプ
２５Ａ，２５Ｂ ノイズ除去フィルタ
２６ トルク演算部
２７ モータ駆動回路

Claims (6)

1. ハウジングに回転自在に支持された回転軸と、この回転軸を包囲するように配設された二つのコイルと、前記回転軸に作用するトルクの変化に応じて前記二つのコイルのインピーダンス差を変化させるインピーダンス可変手段と、を備え、前記二つのコイルの端子間のインピーダンス差に基づいて前記回転軸に発生するトルクを検出するようになっているトルクセンサにおいて、
   前記回転軸と同軸になるように前記ハウジング側に固定されるコイルボビンを有し、そのコイルボビンは、軸方向に離隔した互いに同軸の二つの同寸法の円筒部を備え、それら円筒部の互いに外側を向く外端側には外側フランジが形成され、前記円筒部の互いに内側を向く内端側には内側フランジが形成され、前記各円筒部の前記外側フランジと内側フランジとで挟まれた部分に前記コイルが巻き付けられる溝が形成されるとともに、
   前記内側フランジ同士は、前記二つの円筒部間の隙間を跨ぐように径方向外側に突出した部分にある複数の連結部を介して連結されており、
   前記二つの円筒部は、前記連結部を境に分割可能な構造となっていて、
   前記連結部のうちの一つは、径方向外側に突出する３本の端子を有する端子取付部であって、前記３本の端子のうち、第１の端子には一方の前記コイルの巻き始めの端部を固定し、第２の端子には他方の前記コイルの巻き終わりの端部を固定し、第３の端子には前記一方のコイルの巻き終わりの端部及び前記他方のコイルの巻き始めの端部を固定することにより、前記二つの溝に前記コイルを一つずつ巻き付けており、
   前記端子取付部の各面のうち、径方向外側を向く上面には前記３本の端子を固定し、前記コイルが巻き付けられる溝の接線方向を向く両端面のそれぞれには、その接線方向に突出するように凸部を形成し、
   そして、前記凸部の側面周囲に形成される隙間に、前記端子と前記溝との間に渡される前記コイルの素線を配したことを特徴とするトルクセンサ。
2. ハウジングに回転自在に支持された回転軸と、この回転軸を包囲するように配設された二つのコイルと、前記回転軸に作用するトルクの変化に応じて前記二つのコイルのインピーダンス差を変化させるインピーダンス可変手段と、を備え、前記二つのコイルの端子間のインピーダンス差に基づいて前記回転軸に発生するトルクを検出するようになっているトルクセンサにおいて、
   前記回転軸と同軸になるように前記ハウジング側に固定されるコイルボビンを有し、そのコイルボビンのフランジに径方向外側及び軸方向外側に突出した端子取付部を形成するとともに、
   前記端子取付部の各面のうち、径方向外側を向く上面には端子を固定し、他の面には凸部を形成し、
   そして、前記凸部の側面周囲に形成される隙間に、前記端子と前記コイルが巻き付けられる溝との間に渡される前記コイルの素線を配したことを特徴とするトルクセンサ。
3. ハウジングに回転自在に支持された回転軸と、この回転軸を包囲するように配設された二つのコイルと、前記回転軸に作用するトルクの変化に応じて前記二つのコイルのインピーダンス差を変化させるインピーダンス可変手段と、を備え、前記二つのコイルの端子間のインピーダンス差に基づいて前記回転軸に発生するトルクを検出するようになっているトルクセンサにおいて、
   前記回転軸と同軸になるように前記ハウジング側に固定されるコイルボビンを有し、そのコイルボビンのフランジに径方向外側及び軸方向外側に突出した端子取付部を形成するとともに、
   前記端子取付部の各面のうち、径方向外側を向く上面には端子を固定し、前記コイルが巻き付けられる溝の接線方向を向く両端面のそれぞれには、その接線方向に突出するように凸部を形成し、
   そして、前記凸部の側面周囲に形成される隙間に、前記端子と前記溝との間に渡される前記コイルの素線を配したことを特徴とするトルクセンサ。
4. 前記端子取付部の各面のうち、前記溝側を向く側面には、その溝に近い部分を若干肉厚にすることにより、その端子取り付け部の各面のうち前記溝の接線方向を向く両端面の一方側から他方側に向かうに従ってその溝に近づくように斜め下方に伸びる段差を形成し、その段差にも、前記端子と前記溝との間に渡される前記コイルの素線を配した請求項２又は請求項３記載のトルクセンサ。
5. ハウジングに回転自在に支持された回転軸と、この回転軸を包囲するように配設された二つのコイルと、前記回転軸に作用するトルクの変化に応じて前記二つのコイルのインピーダンス差を変化させるインピーダンス可変手段と、を備え、前記二つのコイルの端子間のインピーダンス差に基づいて前記回転軸に発生するトルクを検出するようになっているトルクセンサにおいて、
   前記回転軸と同軸になるように前記ハウジング側に固定されるコイルボビンを有し、そのコイルボビンのフランジに径方向外側及び軸方向外側に突出した端子取付部を形成するとともに、
   前記端子取付部の各面のうち、径方向外側を向く上面には端子を固定し、前記コイルが巻き付けられる溝側を向く側面には、その溝に近い部分を若干肉厚にすることにより、その端子取り付け部の各面のうち前記溝の接線方向を向く両端面の一方側から他方側に向かうに従ってその溝に近づくように斜め下方に伸びる段差を形成し、
   そして、前記段差に、前記端子と前記溝との間に渡される前記コイルの素線を配したことを特徴とするトルクセンサ。
6. トーションバーを介して連結された入力軸及び出力軸と、前記出力軸に操舵補助トルクを付与する電動モータと、前記入力軸及び出力軸間に発生するトルクを検出する前記請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載されたトルクセンサと、このトルクセンサが検出したトルクに応じて前記電動モータを制御するモータ制御回路と、を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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