JP4026247B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転軸に発生するトルクを検出するトルクセンサに関し、特に、発生するトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する一対のコイルと、一対の電気抵抗とからなるブリッジ回路を備え、ブリッジ回路のコイルと電気抵抗との接続部に発生する過渡電圧に基づいて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、一対のコイル同士が短絡した異常をも検出できるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトルクセンサとしては、本出願人が先に提案した特開平１０−３８７１５号公報に開示されたものがある。即ち、上記公報に開示された従来のトルクセンサにあっては、一対のコイル及び電気抵抗でブリッジ回路を形成し、一対のコイル同士の接続部を、コイル駆動回路を介して電源に接続している。そして、そのコイル駆動回路は、一対のコイルに共通のスイッチング素子であるトランジスタを有していて、そのトランジスタのベースに方形波状に変化する制御電圧を供給し、そのときのコイル及び電気抵抗の接続部に表れる出力電圧（過渡電圧）の差を差動アンプで検出し、その差動アンプの出力に基づいてトルクを検出するようになっていた。
【０００３】
そして、上記公報の［００６０］欄以降に記載された第３の実施の形態にあっては、ブリッジ回路の一方の出力電圧に基づいて異常を検出する異常監視部を設けている。つまり、その異常監視部は、ブリッジ回路の一方の出力電圧の瞬時値が適正な範囲内にあるか否かに基づいて差動アンプの中立電圧を調整することにより、その差動アンプの出力電圧を制御するようになっている。その結果、上記公報の［００６２］欄に記載されるように、差動アンプの出力電圧が供給されるコントローラにおいては、一対のコイルの両方が短絡又は断線した異常を検出することができた。さらには、上記公報の［００６３］欄に記載されるように、上記第３の実施の形態のコントローラは、差動アンプの出力電圧に基づいて、一対のコイルの一方が短絡又は断線した異常を検出するようにもなっていた。なお、ここで言うコイルの短絡とは、コイルと接地との間が通じてしまう現象のことである。
【０００４】
そして、上記公報の実施の形態に開示されたトルクセンサは、車両の電動パワーステアリング装置に適用されたものであり、上記のような異常が検出された場合には、コントローラは、操舵補助トルクを発生させる制御を停止し、不要な操舵補助トルクが発生するようなことを防止できる、というものであった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、上記公報に開示されたトルクセンサによれば、一対のコイルの両方が短絡又は断線した異常や、一対のコイルの一方が短絡又は断線した異常を検出することができる。
【０００６】
しかしながら、本発明者等が鋭意検討したところ、上記公報に開示されたようなトルクセンサであっても、検出できない異常があることが判った。検出できない異常とは、上記一対のコイル同士が短絡した異常である。つまり、一対のコイル同士が短絡してしまっても、ブリッジ回路の出力電圧が接地電圧や電源電圧に固定されるようなことはないし、ブリッジ回路の両方の出力の差が極端に大きくなるようなことがないため、上記公報に開示された構成では、一対のコイル同士が短絡した異常を検出することができないのである。
【０００７】
そして、そのような異常をコントローラが認識できなければ、例えば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場合であれば、異常が発生しているにも関わらず、操舵補助トルク発生用の電動モータと操舵系との間を接続しているクラッチをオフにして完全なマニュアルステアリング状態に移行することはできないし、また、異常が発生したことをアラーム表示等によって運転者に知らしめることもできない、という不具合がある。
【０００８】
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、一対のコイル同士が短絡した異常をも検出できるトルクセンサを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、回転軸に生じたトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化するようになっている一対のコイルのそれぞれと、一対の電気抵抗とを個別に直列に接続し、前記コイルと前記電気抵抗との各接続部に発生する過渡電圧に基づいて前記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、前記過渡電圧を発生させるためのスイッチング手段を、前記一対のコイルのそれぞれに個別に対応して設けるとともに、前記トルクを検出しないタイミングで前記スイッチング手段のいずれか一方を動作させることにより、前記一対のコイルの異常を検出するようにした。
【００１０】
なお、本発明のトルクセンサのより具体的な構成としては、同軸に配設された第１及び第２の回転軸をトーションバーを介して連結するとともに、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材を、前記第１の回転軸の外周面を包囲するように、前記第２の回転軸と回転方向に一体とし、前記第１の回転軸の少なくとも前記円筒部材に包囲された被包囲部を磁性材料で形成し、前記被包囲部には軸方向に延びる溝を形成し、前記円筒部材には前記第１の回転軸との相対回転位置に応じて前記溝との重なり具合が互いに逆方向に変化するように二列の窓を形成し、前記円筒部材の前記窓が形成されたそれぞれの部分を包囲するように一対のコイルを配設し、それら一対のコイルのそれぞれと、一対の電気抵抗とを個別に直列に接続し、一対のコイルのそれぞれに個別に対応してスイッチング素子を設け、そのスイッチング素子を方形波状の電圧で駆動した際に前記コイルと電気抵抗との間に発生する過渡電圧に基づいて、前記第１及び第２の回転軸に発生するトルクを検出するようにした構成が考えられる。
【００１１】
ここで、非磁性材料とは、常磁性体及び一部の反磁性体のことであり、磁性材料とは、強磁性体のことである。そして、非磁性材料の透磁率は、空気と同程度であり、磁性体の透磁率に比べて小さい。また、過渡電圧とは、方形波状に変化する電圧が供給されることにより変化している電圧のことである。そして、コイルを方形波状に変化する電圧で駆動するようになっているから、その方形波状の電圧の供給間隔は、トルクセンサの出力が供給されるコントローラ側のサンプリング・クロックに同期していればよい。このため、実際にコイルに電流が流れている時間が大幅に短くなり、消費電流が少なくなって発熱量も低減する。また、方形波は、正弦波に比べて少ない電子部品でも容易に高精度に発生させることができる。なお、コイルと電気抵抗との間に発生する過渡電圧を保持するためのサンプルホールド回路を設ければ、過渡電圧が極短い間に消えてしまっても、トルクを検出することが可能となる。
【００１２】
そして、一対のコイルの異常を検出する具体的な構成としては、例えば、トルクを検出しないタイミング（上記トルクセンサの具体的な構成例であれば、トルク検出のために両スイッチング素子を方形波状の電圧で駆動させるタイミングの合間）で、スイッチング手段の一方を動作させ、そのときにスイッチング手段の他方が対応するコイルと電気抵抗との間に発生する出力電圧に基づき、一対のコイル同士の短絡を判断することができる。つまり、一対のコイル同士が短絡していない状態であれば、スイッチング手段の一方を動作させても、スイッチング手段の他方が対応するコイルには電流は流れないから、そのコイルと電気抵抗との間の電圧は電源電圧の筈である。しかし、一対のコイル同士が短絡している状態であれば、スイッチング手段の一方を動作させると、スイッチング手段の他方が対応するコイルにも電流は流れ、そのコイルと電気抵抗との間の電圧が電源電圧よりも低くなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本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３は本発明の第１の実施の形態の構成を示す図であって、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る。
【００１４】
先ず、構成を説明すると、電動パワーステアリング装置全体の断面図である図１に示すように、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及び５ｂ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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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２Ａ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２Ａ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２Ａの重なり状態と、窓８ｂ及び溝２Ａ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２Ａの周方向幅中央部とはそれぞれθ／４ずつずれている。
【００２３】
そして、円筒部材８は、同一規格のコイル１０及び１１が巻き付けられたヨーク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ヨーク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ヨーク９に巻き付けられていて、ヨーク９はハウジング１に固定されている。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ヨーク９が配設されている空間との間は、オイルシール１２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ヨーク９側に入り込まないようになっている。
【００２４】
そして、コイル１０及び１１は、センサケース１３内の制御基板１４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、図３に示すように、コイル１０，１１と直列に接続された電気抵抗値の等しい二つの電気抵抗Ｒ₀ を有し、それらコイル１０，１１及び電気抵抗Ｒ₀ によってブリッジ回路を形成している。このブリッジ回路のうち、電気抵抗Ｒ₀ 同士の接続部は電源Ｖ_DDに接続されており、一方のコイル１０の電気抵抗Ｒ₀ とは逆側の端部は、ＮＰＮ型のトランジスタＴ₁ を介して接地に接続可能となっており、他方のコイル１１の電気抵抗Ｒ₀ とは逆側の端部は、ＮＰＮ型のトランジスタＴ₂ を介して接地に接続可能となっている。つまり、トランジスタＴ₁ 、Ｔ₂ がオン／オフすることにより、コイル１０及び１１のそれぞれが独立に接地側に接続又は接地との間が遮断されるようになっている。なお、いわゆるフライホイールダイオードについてはその図示は省略している。
【００２５】
トランジスタＴ₁ 及びＴ₂ のベースには、図示しないマイクロプロセッサやＡ／Ｄ変換器，Ｄ／Ａ変換器等のインタフェース回路等を含んで構成されたコントローラ２５から、制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ が個別に供給されるようになっている。
【００２６】
制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ は、図４に示すように方形波状に変化する電圧であって、その方形波の出力間隔はコントローラ２５のサンプリング・クロックに同期するようになっている。また、制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ は、トランジスタＴ₁ 、Ｔ₂ がＮＰＮ型であるため、そのトランジスタＴ₁ 、Ｔ₂ をオンとするタイミングで論理値“０”から“１”に立ち上がり、トランジスタＴ₁ 、Ｔ₂ をオフとするタイミングで論理値“１”から“０”に立ち下がる、いわゆる正論理の電圧となっている。
【００２７】
さらに、コイル１０及び電気抵抗Ｒ₀ 間の電圧であるブリッジ回路の一方の出力電圧Ｖ₃ と、コイル１１及び電気抵抗Ｒ₀ 間の電圧であるブリッジ回路の他方の出力電圧Ｖ₄ とが、差動アンプ２２に入力されるようになっている。
【００２８】
なお、差動アンプ２２には、コントローラ２５から供給される制御電圧Ｖ_R に応じて中立電圧Ｖ_r を生成する中立電圧生成部２２Ａからその中立電圧Ｖ_r も供給されるようになっており、差動アンプ２２は、下記の（１）式で表されるような出力電圧Ｖ₅ を出力するようになっている。なお、下記式中のＧはアンプゲインである。
【００２９】
Ｖ₅ ＝Ｇ×（Ｖ₃ −Ｖ₄ ）＋Ｖ_r ……（１）
例えば、中立電圧Ｖ_r を２．５Ｖとすれば、出力電圧Ｖ₅ は、２．５Ｖを中心に出力電圧Ｖ₃ 及びＶ₄ の差に応じた振幅で変化するようになる。
【００３０】
差動アンプ２２の出力電圧Ｖ₅ は、サンプルホールド回路２３によってホールドされることにより、所定のサンプリング時における出力電圧Ｖ₀ としてコントローラ２５に供給されるようになっている。
【００３１】
コントローラ２５は、サンプルホールド回路２３に、制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ の立ち上がりと同時に立ち上がるとともに、それから所定時間経過後に立ち下がる図５（ｃ）に示すような短いパルス状の電圧でなるホールド信号Ｖ_S を、サンプルホールド回路２３に供給するようになっていて、サンプルホールド回路２３は、そのホールド信号Ｖ_S の立ち下がり時点における出力電圧Ｖ₅ を出力電圧Ｖ₀ としてホールドするようになっている。
【００３２】
なお、ホールド信号Ｖ_s の立ち下がりタイミングは、過渡状態（変化している状態）にある出力電圧Ｖ₃ 及びＶ₄ が差動アンプ２２に供給されている最中とする。より具体的には、制御電圧Ｖ₁ の立ち上がり時点から、コイル１０，１１のインダクタンスと電気抵抗Ｒ₀ とで決まる時定数τだけ経過した時刻を、ホールド信号Ｖ_s を立ち下げるタイミングとする。時定数τを用いるのは、出力電圧Ｖ₃ 及びＶ₄ に差がある場合に、その差が最も大きくなる時点で出力電圧Ｖ₅ をホールドするためである。
【００３３】
一方、出力電圧Ｖ₅ は、サンプルホールド回路２３に供給される他に、アンプ２４に供給されるようになっていて、そのアンプ２４で増幅されてコントローラ２５に入力されるようになっている。
【００３４】
そして、コントローラ２５は、アンプ２４で増幅された出力電圧Ｖ₅ を、操舵トルクの検出タイミングで出力された制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ の立ち下がりに同期してＡ／Ｄ変換して読み込むようになっており、その読み込んだ出力電圧Ｖ₅ に基づき、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、そ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駆動電流Ｉが電動モータ７に供給されるように、図示しないパワートランジスタ等から構成されるモータ駆動部２６を制御するようになっている。
【００３５】
なお、コントローラ２５には、図示しない車速センサから車速検出信号が供給されるようになっていて、その車速検出信号に基づいて車両が高速走行中であるか否かを判定し、高速走行中には操舵補助トルクは不要であると判断して、モータ駆動部２６に対する制御を禁止するようになっている。また、コントローラ２５には、図示しないが、電動モータ７の電流をフィードバック制御するための電流検出信号も供給されるようになっている。
【００３６】
さらに、コントローラ２５には、ブリッジ回路の一方の出力電圧Ｖ₃ も直接供給されるようになっており、コントローラ２５は、任意のタイミングで、その出力電圧Ｖ₃ をＡ／Ｄ変換して読み込むようになっている。
【００３７】
ここで、方形波状の制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ は、操舵トルクを検出するタイミングで、同時にコントローラ２５から各トランジスタＴ₁ 、Ｔ₂ に出力されるのであるが、その制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ の出力タイミングの間隔は、図６（ａ）に示すように、比較的広くなっており、全体としては、トルクを検出しない時間帯（非トルク検出タイミング）が比較的長くなっている。なお、制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ の方形波の幅は、数十μ秒である。
【００３８】
そして、コントローラ２５は、図６（ａ）に実線で示すように、方形波状の制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ の立ち下がりに同期したタイミングｔ₁ において、Ａ／Ｄ変換を行って出力電圧Ｖ₅ を読み込み、上述したような操舵補助トルクの生成制御を実行するようになっている。
【００３９】
さらに、コントローラ２５は、上記のように比較的長い時間帯である非トルク検出タイミングにおいて、種々の異常検出処理を実行するようになっている。
異常検出処理として、本実施の形態では、その実行タイミングが異なる三種類の処理を設定してる。
【００４０】
第１の異常検出処理は、図６（ｃ）に示すように、制御電圧Ｖ₁ 及びＶ₂ のいずれも出力せずにサンプルホールドだけを行った直後のタイミングｔ₂ に同期して実行される処理であって、その具体的な内容は、タイミングｔ₂ でＡ／Ｄ変換を行って出力電圧Ｖ₃ 、Ｖ₀ 、Ｖ₅ をそれぞれ読み込み、その出力電圧Ｖ₃ に基づいた（このときの出力電圧Ｖ₃ の正常値は、電源Ｖ_DDの電圧）異常確認処理（コイル１０、１１の接地側への短絡検出、トランジスタＴ₁ 、Ｔ₂ の導通確認、出力電圧Ｖ₃ 用のＡ／Ｄ変換器の異常確認）と、その出力電圧Ｖ₀ とその初期記憶値とを比較することによる異常確認処理（差動アンプ２２の異常確認、中立電圧生成部２２Ａの異常確認、出力電圧Ｖ₀ 用のＡ／Ｄ変換器の異常確認）と、その出力電圧Ｖ₅ とその初期記憶値とを比較することによる異常検出処理（アンプ２４の異常確認、中立電圧生成部２２Ａの異常確認、出力電圧Ｖ₅ 用のＡ／Ｄ変換器の異常確認）と、を行うようになっている。
【００４１】
第２の異常検出処理は、図６（ｃ）に示すように、サンプルホールド回路２３をホールド状態にしたままのタイミングｔ₃ 〜ｔ₅ に同期して実行される処理であって、その具体的な内容は、タイミングｔ₃ で中立電圧Ｖ_r を通常のトルク検出タイミングとは異なる値に切り換え、次いで、タイミングｔ₄ で各Ａ／Ｄ変換を行って出力電圧Ｖ₀ 及び出力電圧Ｖ₅ を読み込み、そして、その出力電圧Ｖ₀ とタイミングｔ₂ で読み込んだ出力電圧Ｖ₀ とを比較することによる異常検出処理（サンプルホールド回路２３の異常確認）と、その出力電圧Ｖ₅ とその初期記憶値及び中立電圧Ｖ_r の切り換え分のオフセット電圧の和とを比較することによる異常検出処理（中立電圧生成部２２Ａの異常確認）と、を行い、さらに、タイミングｔ₅ において中立電圧Ｖ_r を通常のトルク検出タイミングにおける値に戻すようになっている。
【００４２】
そして、第３の異常検出処理は、図６（ｃ）に示すタイミングｔ₆ 、ｔ₇ に同期して実行される処理であって、その具体的な内容は、タイミングｔ₆ において図６（ａ）に破線で示すように一方の方形波状の制御電圧Ｖ₂ のみを出力するとともに、その制御電圧Ｖ₂ の立ち下がりに同期したタイミングｔ₇ において出力電圧Ｖ₃ をＡ／Ｄ変換して読み込み、そして、その出力電圧Ｖ₃ が電源電圧Ｖ_DDに等しいか否かに基づいて、コイル１０、１１同士の短絡を検出するようになっている。
【００４３】
なお、これら第１〜３の異常検出処理は、一回の非トルク検出タイミング内において全て実行してもよいし、或いは、複数回の非トルク検出タイミングに分けて実行してもよい。また、非トルク検出タイミングの度に第１〜３の異常検出処理の全て又はいずれかを実行してもよいし、或いは、第１〜３の異常検出処理の全て又はいずれかを実行する非トルク検出タイミングと、第１〜３の異常検出処理を全く実行しない非トルク検出タイミングとが所定の周期で繰り返すようにしてもよい。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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）に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）ずれたところで弱い。
【００４９】
円筒部材８の内側には、磁性材料からなる軸３が同軸に配設され、その軸３には凸部３Ａ，凹部３Ｂが窓８ａ，８ｂと同じ周期を持って形成されている。
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。
【００５０】
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、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。
【００５１】
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り、自発磁化の増減に応じて、コイルのインダクタンスも増減する。その変化は、ほぼ正弦波状となる。
【００５２】
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。
【００５３】
このため、トルクにより円筒部材８と軸３に位相差が生じると、二つのコイル１０，１１のインダクタンスは一方は増加し、他方は同じ割合で減少する。
ここで、操舵系が中立位置にあって操舵トルク零の場合には、コイル１０，１１のインダクタンスは等しいから、それらコイル１０，１１のインピーダンスには差は生じず、従ってコイル１０及び１１の自己誘導起電力は等しい。
【００５４】
この状態で、コントローラ２５からトランジスタＴ₁ 、Ｔ₂ に図４に実線で示す制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ が供給されると、ブリッジ回路の出力電圧Ｖ₃ 及びＶ₄ は、図５（１）（ａ）に示すように、その過渡時の値も等しくなる。
【００５５】
すると、差動アンプ２２の出力電圧Ｖ₅ は、図５（１）（ｂ）に示すように中立電圧Ｖ_r を維持する。また、図５（１）（ｄ）に示すように、サンプルホールド回路２３の出力電圧Ｖ₀ も中立電圧Ｖ_r のままである。
【００５６】
この結果、コントローラ２５は操舵系の操舵トルクが零であることを検出するから、モータ駆動部２６からは特に駆動電流Ｉは出力されず、操舵系には不要な操舵補助トルクは発生しない。
【００５７】
一方、右操舵トルク発生時には、操舵トルク零の場合に比べて、右操舵トルクが増大するに従ってコイル１０のインダクタンスは増大、コイル１１のインダクタンスは減少する。逆に、左操舵トルクが増大するに従って、コイル１０のインダクタンスは減少、コイル１１のインダクタンスは増大する。
【００５８】
そして、コイル１０，１１のインダクタンスが上記のように変化すれば、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。
【００５９】
このため、右操舵トルク発生時には、図５（２）（ａ）に示すように、出力電圧Ｖ₃ は出力電圧Ｖ₄ よりも素早く立ち下がるため、出力電圧Ｖ₃ 及びＶ₄ の過渡期にはそれらに差が生じることになり、その差は発生する操舵トルクが大きい程、大きくなる。逆に、左操舵トルク発生時には、図５（３）（ａ）に示すように、出力電圧Ｖ₄ は出力電圧Ｖ₃ よりも素早く立ち下がるため、出力電圧Ｖ₃ 及びＶ₄ の過渡期にはそれらに差が生じることになり、その差は発生する操舵トルクが大きい程、大きくなる。
【００６０】
以上から、図５（２）（ｂ），（３）（ｂ）に示すように、差動アンプ２２の出力電圧Ｖ₅ は、発生した操舵トルクの方向及び大きさに従って、中立電圧Ｖ_r から大きく変化するようになる。なお、温度等の外乱による自己インダクタンスの同相成分の変化も差動アンプ２２においてキャンセルされる。
【００６１】
そして、コントローラ２５は、アンプ２４を介して供給される出力電圧Ｖ₅ と中立電圧Ｖ_r との差に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２６に供給し、モータ駆動部２６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。
【００６２】
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。
【００６３】
このように、本実施の形態のようにコイル１０，１１に対して方形波状に変化する制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ を供給する構成であっても、出力電圧Ｖ₃ 及びＶ₄ の過渡電圧の差が表れたタイミングで出力電圧Ｖ₅ をＡ／Ｄ変換してそれを読み込むようにしているから、操舵系に発生している操舵トルクの方向及び大きさを把握し、それに応じた操舵補助トルクを発生させることができる。
【００６４】
そして、コイル１０，１１を方形波状に変化する制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ で駆動する構成であると、コイル１０，１１に電流が流れるのはその制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ が立ち上がっている間だけであるから、制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ の波形のデューティ比を十分に小さくすれば、消費電流を大幅に低減することができる。そこで、本実施の形態の構成であると、操舵トルクの検出に必要なのは、過渡期において出力電圧Ｖ₃ 及びＶ₄ の差が十分に生じた際の出力電圧Ｖ₅ であり、そのためには制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ を立ち上げた時点から時定数τだけ経過するまでその制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ が立ち上がっていればよい。従って、安全率を見込んで、時定数τよりも若干長い時間だけトランジスタＴ₁ 、Ｔ₂ をオンにすればよいから、制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ のデューティ比を極小さく（例えば５％程度まで低減）することができる。その結果、コイル１０，１１に電流が流れる時間が極短くなるから、消費電力が小さくなって経済的であるし、発熱量も低減される。発熱量が低減されれば、故障発生率の低減等も期待できるようになる。
【００６５】
また、コントローラ２５でオン・オフ制御される制御電圧Ｖ₁ 、Ｖ₂ をトランジスタＴ₁ 、Ｔ₂ に供給するだけで、コイル１０，１１を方形波状に変化する電圧で駆動させることができるから、正弦波駆動の場合と比較して必要な電子部品数も少なくなるし、個々の電子部品に要求される精度も低くて済む。このため、コスト低減も期待できる。
【００６６】
さらに、本実施の形態では、上述したような第１、第２及び第３の異常検出処理を適宜実行するようになっているから、モータ制御回路を構成する各部の異常を検出することができ、その異常が検出された場合には、電動モータ７に対する制御を禁止し電動パワーステアリング装置そのものを停止状態にするとともに、運転席前面等に備えられた警告ランプを点灯させて異常発生を運転者に認識させることができる。
【００６７】
特に、本実施の形態では、コイル１０、１１のそれぞれに個別に対応してトランジスタＴ₁ 、Ｔ₂ を設けるとともに、上述した第３の異常検出処理において、その一方のトランジスタＴ₂ （トランジスタＴ₁ でもよい）を駆動させ、そのときの出力電圧Ｖ₃ （トランジスタＴ₁ を駆動させた場合には、出力電圧Ｖ₄ ）に基づいた異常検出処理を実行するようにしているから、コイル１０、１１同士の短絡異常をも検出することが可能になっている。
【００６８】
つまり、コイル１０、１１同士が短絡した状態で、例えば一方のトランジスタＴ₂ のみを駆動させてコイル１１にのみ電流を供給させると、トランジスタＴ₁ はオフ状態であるにも関わらず、コイル１０にも電流が流れ、出力電圧Ｖ₃ が電源電圧Ｖ_DDよりも低下してしまうから、そのときの出力電圧Ｖ₃ に基づけば、コイル１０、１１同士に短絡異常が発生しているか否かを判断することができるのである。
【００６９】
ちなみに、コイル１０、１１を共通のトランジスタで駆動させる構成では、そのコイル１０、１１の一方のみを駆動させることは不可能であるから、上記のようなコイル１０、１１同士の短絡異常を検出することはできない。
【００７０】
よって、本実施の形態の構成であれば、電動パワーステアリング装置の信頼性を、さらに向上することができるのである。
ここで、本実施の形態では、トランジスタＴ₁ 、Ｔ₂ がスイッチング手段に対応する。
【００７１】
なお、上記実施の形態では、本発明にかか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。
【００７２】
また、上記実施の形態では、第３の異常検出処理の他に、第１及び第２の異常検出処理を実行するようになっているが、モータ制御回路の構成を上記公報の例えばの第３の実施の形態と同様の構成とすることにより、種々の異常検出を可能とすれば、第１及び第２の異常検出処理を省略するようにしてもよい。但し、コイル１０、１１同士の短絡異常を検出することは、上記公報に開示された各実施の形態の構成でも不可能であるから、第３の異常検出処理は省略しない。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にあっては、一対のコイルに過渡電圧を発生させるためのスイッチング手段を、一対のコイルのそれぞれに個別に対応して設けるとともに、トルクを検出しないタイミングでスイッチング手段のいずれか一方を動作させることにより、一対のコイルの異常を検出するようにしたため、コイル同士の短絡異常を検出することができ、トルクセンサの信頼性をさらに向上できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の構成を示す正断面図である。
【図２】実施の形態の要部の斜視図である。
【図３】実施の形態のモータ制御回路の回路図である。
【図４】コントローラからコイルに供給される電圧の波形図である。
【図５】実施の形態のモータ制御回路内の各電圧の波形図である。
【図６】異常検出処理の実行タイミングを説明する波形図である。
【符号の説明】
２ 入力軸
３ 出力軸
３Ａ 溝
３Ｂ 凸部
４ トーションバー
８ 円筒部材
８ａ，８ｂ 窓
１０，１１ コイル
２２ 差動アンプ
２３ サンプルホールド回路
２５ コントローラ
２６ モータ駆動部
Ｔ₁ 、Ｔ₂ トランジスタ（スイッチング手段）

Claims (1)

1. 回転軸に生じたトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化するようになっている一対のコイルのそれぞれと、一対の電気抵抗とを個別に直列に接続し、前記コイルと前記電気抵抗との各接続部に発生する過渡電圧に基づいて前記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、
   前記過渡電圧を発生させるためのスイッチング手段を、前記一対のコイルのそれぞれに個別に対応して設けるとともに、前記トルクを検出しないタイミングで前記スイッチング手段のいずれか一方を動作させることにより、前記一対のコイルの異常を検出するようになっていることを特徴とするトルクセンサ。

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