JP4057552B2 - トルクセンサとそのトルクセンサを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、トルクセンサとこれを用いた電動パワーステアリング装置に関し、特に、モータの動力を操舵系に直接作用させて、運転者の操舵トルクを軽減する電動パワーステアリング装置用のトルクセンサ、および当該電動パワーステアリング装置に関するものである。

電動パワーステアリング装置は、操舵系にモータを備え、モータから供給する動力を制御装置を用いて制御することにより、運転者の操舵トルクを軽減している。従来の電動パワーステアリング装置は、ステアリング・ギアボックス内に、ステアリングホイールに連結するステアリング軸に作用する操舵トルクを検出するための操舵トルク検出部（トルクセンサ）が設けられ、その検出値は制御装置へ入力されて、モータに適切な補助操舵トルクを発生させるための基準信号として供給される。

上記の操舵トルク検出部としては、ピニオンの入出力軸間に設けたトーションバーの捻れを利用するトーションバー式の他、磁歪式が知られている。磁歪式トルク検出部の一例としては、ステアリングホイールに連結されたステアリング軸の表面に例えばＮｉ−Ｆｅめっきの如き磁歪膜を上下２箇所でそれぞれ逆方向の磁気異方性となるように軸方向所定幅で設け、磁歪膜に操舵トルクが作用した時、磁気異方性に基づいて発生する逆磁歪特性を、磁歪膜の周囲に配設されたコイルの交流抵抗等を利用して検知するものである。このようなトルクセンサは、例えば特許文献１、特許文献２で開示されている。

上述の特許文献１と特許文献２で開示されたトルクセンサでは、ステアリング軸の表面に設けた２つの磁歪膜のそれぞれに励磁コイルと検出コイルを必要とする構成である。そのような励磁コイルを必要とするトルクセンサの他に、励磁コイルを用いずに、検出コイルのみで、そのコイルのインダクタンスの変化によりトルクを検出する方式もある（例えば、特許文献３参照）。

図８は、トルクセンサでの検出回路を示す図である。この図では、ステアリング軸（シャフト）に設けた２つの磁歪膜のうち、一方の磁歪膜に対する検出回路１００のみを図示している。実際には、この検出回路１００が２つの磁歪膜に対してそれぞれ設けられる。この検出回路１００は、ステアリング軸１０１の表面に形成された磁歪膜１０２の周囲のコイル１０３と、コイル１０３に直列に抵抗１０４とスイッチング素子１０５が接続されている。また、抵抗１０４のコイル１０３とは反対側の端子１０６には所定の電圧を印加する電源（図示せず）が設けられている。さらに、抵抗１０４とコイル１０３の接続部からの検出端子１０７からの出力波形の谷の値を保持して出力するボトムホールド回路１０８を備えている。

この回路ではスイッチング素子１０５を所定の時間間隔でオンオフさせ、そのときの端子１０７の電圧をボトムホールド回路１０８を介して検出する。この回路でのスイッチング素子１０５がオンしたときの、端子１０７の電圧の変化は、式（１）で表される。

ここで、Ｖ（ｔ）は、端子１０７の時刻ｔにおける電圧であり、Ｅは電源の電圧、Ｒは抵抗１０４の抵抗、Ｌは、コイル１０３のインダクタンス、ｔは時間である。時刻ｔ _ｏｆｆ のときにスイッチング素子１０５をオフすると、その後の端子１０７での電圧は、電源電圧Ｅとなる。

このようなスイッチング素子１０５のオンオフを行った場合、スイッチング素子１０５をオフした時刻ｔ _ｏｆｆ での電圧が端子１０７からの出力波形の谷となるので、ボトムホールド回路１０８から検出される信号は、時刻ｔ _ｏｆｆ のときの電圧を検出することになる。このときの電圧は、式（２）で表される。

この電圧Ｖ（ｔ _ｏｆｆ ）は、式（２）で示すように回路の抵抗ＲとインダクタンスＬの関数であるから、この電圧Ｖ（ｔ _ｏｆｆ ）を測定することにより、インダクタンスＬを求めることができる。インダクタンスＬは、透磁率μに依存する。

ステアリング軸１０１が操舵され、磁歪膜１０２にトルクが作用すると、磁歪膜１０２の透磁率μが変化し、インダクタンスＬが変化する。これにより、ステアリング軸１０１に作用する操舵トルクを検出することができる。

図９は、検出回路１００での実際の端子１０７の電圧の時間変化とボトムホールド回路１０８から検出される電圧波形を示す。横軸は、時間を示し、縦軸は、電圧を示す。曲線Ｃ１００が端子１０７の電圧の時間変化であり、曲線Ｃ１０１がボトムホールド回路１０８から検出される電圧波形である。時刻ｔ _ｏｎ でスイッチング素子１０５がオンとなったとき、端子１０７での電圧は、式（１）に対応する変化を示す。また、ｔ _ｏｆｆ でスイッチング素子１０５がオフとなったときは、端子１０７での電圧は、印加電圧Ｅに戻る変化をする。そして、時刻ｔ _ｏｆｆ での電圧波形の最下点（谷）がボトムホールド回路１０８で保持され出力される。このときは、式（２）で表される値が検出される。この曲線Ｃ１０１で示すボトムホールド回路１０８からの出力値の変化からステアリング軸１０１に加えられたトルクを検出することができる。

通常のトルクセンサでは、ステアリング軸（シャフト）に２つの磁歪膜を間隔をあけて堆積させている。そのとき、磁歪膜の磁気異方性は、それぞれ逆になるようにしている。２つの磁歪膜それぞれに対して図８で示したコイルを含んだ検出回路を設けている。そして、それぞれの検出回路からの出力電圧の差特性からトルクを検出し、また、それぞれの検出回路からの出力電圧の和から異常検知をするようにしている。

図１０によって、トルク検出用の特性と異常検出用の曲線について説明する。図１０において、横軸はステアリング軸（シャフト）にかかる操舵入力トルク、縦軸はコイルによって検出され、ボトムホールド回路による電圧を示している。一方のコイルを含む検出回路による検出では、操舵トルクが負から正になるにつれて電圧は増加する（直線Ｌ１００ ）。また、もう一方のコイルを含む検出回路による検出では、操舵トルクが正から負になるにつれてコイル電圧は増加する（直線Ｌ１０１）。２つのコイルで得られるそれぞれの操舵トルク−電圧特性は、先に述べた磁歪膜の上下２箇所でそれぞれ逆方向となる磁気異方性を反映して縦軸に対して対称的になる。また、直線Ｌ１０２は、２つのコイルにより検出された特性曲線Ｌ１００から特性曲線Ｌ１０１を引いた値を示すものであり、操舵トルクがゼロのときにその値はゼロとなり、操舵トルクの変化にほぼ直線的に変化することを示す。また、直線Ｌ１０２の特性を利用することで、２つの検出コイルを含むそれぞれの検出回路の値から操舵トルクを検出することができる。

また、直線Ｌ１０３は、直線Ｌ１００と直線Ｌ１０１の和をとったものである。この和が図１１で示すように所定範囲にあるかどうかで異常かどうか判定するようにしている。例えば、図１１で２つの検出回路からの出力電圧の和Ｌ１０３がＶ１とＶ２の間にあれば、トルクセンサは正常であり、Ｖ２より大きいか、あるいはＶ１より小さいときは、トルクセンサは異常と判定する。

しかしながら、このように測定した場合、トルク−電圧曲線には図１２で示すようなヒステリシスが生じる。曲線Ｃ１０２は、トルク−電圧特性を示し、トルクＴ１のとき電圧Ｖ１をとり、トルクゼロのとき、電圧はゼロではなく電圧（Ｖ２）か電圧（Ｖ３）をとるように変化する。例えば、図１３は、図１２で示したヒステリシス曲線のトルクゼロのときの電圧差（Ｖ３−Ｖ２）を電圧Ｖ１で割った値の百分率（ヒステリシスの割合）を種々の磁場環境で測定したグラフである。横軸は、磁場であり、縦軸は、ヒステリシスの割合を示す。曲線Ｃ１０３が測定結果であり、種々の磁場環境でヒステリシスが観測される。

コイルに過渡的な電流を流したときには、電流が少ないため、磁化が飽和状態とならず、コイルのインダクタンスにばらつきが生じる。その結果、検出回路からの検出電圧の変化にヒステリシスが生じる。

また、図１１で示したように、トルクセンサでは、一方の検出回路の検出電圧ともう一方の検出回路の検出電圧の和をとり、その値が所定値以内かどうかでトルクセンサの異常を検知している。しかしながら、上記の場合、検出回路からの検出電圧にばらつきが大きいため、図１１で示した正常判定範囲であるＶ１とＶ２の幅をある程度広く設定する必要があった。
特開２００１−１３３３３７号公報 特開２００２−１６８７０６号公報 特開２００２−７１４７６号公報

本発明の課題は、従来のトルクセンサでのトルクに対する検出信号の変化でのヒステリシスの割合を小さくし、また、トルクセンサの異常検出精度を良くすることにある。

本発明に係るトルクセンサは、上記の目的を達成するために、次のように構成される。

第１のトルクセンサ（請求項１に対応）は、磁歪膜が設けられたシャフトと、磁歪膜の磁気特性の変化を検出する検出コイルと、検出コイルに対して直列に接続された抵抗およびスイッチング素子と、抵抗と検出コイルの間に設けられた第１の端子と、所定電圧が印加された第２の端子と、第１の端子と第２の端子のうちのいずれかの端子に接続される選択用切替端子を有する選択手段と、選択手段の選択用切替端子が第１の端子に接続されているとき検出コイルの出力電圧のもっとも小さい電圧値を保持するホールド手段を備える。さらに、上記トルクセンサは、選択手段の選択用切替端子が第１の端子に接続された状態でスイッチング素子を第１の所定の時間間隔（ｔｐ〜ｔｓ）でオン状態にさせると共に、スイッチング素子のオン動作開始後であって第２の所定の時間間隔（ｔｐ〜ｔｂ）の経過後に選択手段の選択用切替端子を第１の端子から第２の端子に切り替え、さらに、第１の所定の時間間隔と第２の所定の時間間隔を繰り返し、ホールド手段からの出力された電圧信号に基づいてシャフトに印加されたトルクを検出するように構成される。

第２のトルクセンサ（請求項２に対応）は、シャフトの２ヶ所にトルクに対してそれぞれ逆方向となる磁気異方性を有する磁歪膜を設け、２つの磁歪膜それぞれの磁気特性の変化を検出する２つの検出コイルと、２つの検出コイルのそれぞれに対して、個別に、直列に接続された抵抗およびスイッチング素子とを備える。さらに、２つの検出コイルの各々について、抵抗と検出コイルの間に設けられた第１の端子と、所定電圧が印加された第２の端子と、第１の端子と第２の端子のうちのいずれかの端子に接続される選択用切替端子を有する選択手段と、選択手段の選択用切替端子が第１の端子に接続されているとき検出コイルの出力電圧のもっとも小さい電圧値を保持するホールド手段を備えており、選択手段の選択用切替端子が第１の端子に接続された状態でスイッチング素子を第１の所定の時間間隔（ｔｐ〜ｔｓ）でオン状態にさせると共に、スイッチング素子のオン動作開始後であって第２の所定の時間間隔（ｔｐ〜ｔｂ）の経過後に選択手段の選択用切替端子を第１の端子から第２の端子に切り替え、さらに、第１の所定の時間間隔と前記第２の所定の時間間隔を繰り返すように構成される。そして、上記のトルクセンサは、２つの検出コイルの各々のホールド手段からの出力された電圧信号の差に基づいてシャフトに印加されたトルクを検出するように構成される。
また第３のトルクセンサ（請求項３に対応）は、上記の第２のトルクセンサの構成において、２つの検出コイルからの検出電圧値の和に基づいて故障の有無を検出するように構成される。

第４のトルクセンサ（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくはスイッチング素子の第１の所定の時間間隔は、検出コイルに流れる最大電流が、その最大電流により発生する検出コイルからの磁束により磁歪膜の磁化が飽和する領域に達するまでの値になる時間であることで特徴づけられる。

第５のトルクセンサ（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは選択手段の第２の端子への切替えタイミングは、スイッチング素子のオン時間内にあることで特徴づけられる。

第１の電動パワーステアリング装置（請求項６に対応）は、ステアリング系にトルクを付与するモータと、ステアリングに入力される操舵トルクを検出するトルク検出手段と、少なくともトルク検出手段からの信号に応じてモータの目標電流を演算する目標電流演算手段と、モータを駆動する駆動手段とを備える電動パワーステアリング装置において、トルク検出手段として上記の構成のトルクセンサを用いたことで特徴づけられる。

本発明によれば、検出コイルからの出力をホールドするタイミングを任意に設定するとともにコイルへの通電を継続することが可能となるため磁歪膜を飽和磁化か、それに近い状態とすることができ、その結果、トルク−電圧特性のヒステリシスを従来よりも小さくすることができる。また、ボトムホールド手段から得られる電圧にばらつきが少ないために、２つの検出部から得られる電圧の和に基づいて異常を検出するときに、異常と判定する範囲を狭めることができ、その結果、異常検出精度を高めることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るトルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置の全体構成図である。電動パワーステアリング装置１０は、ステアリングホイール１１に連結されるステアリング軸１２ａ等に対して補助用の操舵力（操舵トルク）を与えるように構成されている。ステアリング軸１２ａはステアリング軸１２ｂと自在軸継手１２ｃを介して連結されており、ステアリング軸１２ａの上端はステアリングホイール１１に連結され、ステアリング軸１２ｂの下端にはピニオンギヤ１３が取り付けられている。ピニオンギヤ１３に対して、これに噛み合うラックギヤ１４ａを設けたラック軸１４が配置されている。ピニオンギヤ１３とラックギヤ１４ａによってラック・ピニオン機構１５が形成される。ラック軸１４の両端にはタイロッド１６が設けられ、各タイロッド１６の外側端には前輪１７が取り付けられる。上記ステアリング軸１２ｂに対し動力伝達機構１８を介してモータ１９が設けられている。動力伝達機構１８は、ウォームギヤ１８ａとウォームホイール１８ｂによって形成されている。モータ１９は、操舵トルクを補助する回転力（トルク）を出力し、この回転力を、動力伝達機構１８を経由して、ステアリング軸１２ｂ，１２ａに与える。またステアリング軸１２ｂには操舵トルク検出部（トルクセンサ）２０が設けられている。操舵トルク検出部２０は、運転者がステアリングホイール１１を操作することによって生じる操舵トルクをステアリング軸１２ａ，１２ｂに加えたとき、ステアリング軸１２ａ，ｂに加わる当該操舵トルクを検出する。２１は車両の車速を検出する車速検出部であり、２２はコンピュータで構成される制御装置である。制御装置２２は、操舵トルク検出部２０から出力される操舵トルク信号Ｔと車速検出部２１から出力される車速信号Ｖを取り入れ、操舵トルクに係る情報を車速に係る情報に基づいて、モータ１９の回転動作を制御する駆動制御信号ＳＧ１を出力する。上記のラック・ピニオン機構１５等は図１中で図示しないギヤボックス２４に収納されている。

上記において電動パワーステアリング装置１０は、通常のステアリング系の装置構成に対し、操舵トルク検出部２０、車速検出部２１、制御装置２２、モータ１９、動力伝達機構１８を付加することによって構成されている。

上記構成において、運転者がステアリングホイール１１を操作して自動車の走行運転中に走行方向の操舵を行うとき、ステアリング軸１２ａ，１２ｂに加えられた操舵トルクに基づく回転力はラック・ピニオン機構１５を介してラック軸１４の軸方向の直線運動に変換され、さらにタイロッド１６を介して前輪１７の走行方向を変化させようとする。このときにおいて、同時に、ステアリング軸１２ｂに付設された操舵トルク検出部２０は、ステアリングホイール１１での運転者による操舵に応じた操舵トルクを検出して電気的な操舵トルク信号Ｔに変換し、この操舵トルク信号Ｔを制御装置２２へ出力する。また、車速検出部２１は、車両の車速を検出して車速信号Ｖに変換し、この車速信号Ｖを制御装置２２へ出力する。制御装置２２は、操舵トルク信号Ｔ、車速信号Ｖに基づいてモータ１９を駆動するためのモータ電流を発生する。モータ電流によって駆動されるモータ１９は、動力伝達機構１８を介して補助操舵力をステアリング軸１２ｂ，１２ａに作用させる。以上のごとくモータ１９を駆動することにより、ステアリングホイール１１に加えられる運転者による操舵力が軽減される。

図２は、電動パワーステアリング装置１０の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す。ラック軸１４の左端部および右端部の一部は断面で示されている。ラック軸１４は、車幅方向（図２中左右方向）に配置される筒状ハウジング３１の内部に軸方向へスライド可能に収容されている。ハウジング３１から突出したラック軸１４の両端にはボールジョイント３２がネジ結合され、これらのボールジョイント３２に左右のタイロッド１６が連結されている。ハウジング３１は、図示しない車体に取り付けるためのブラケット３３を備えると共に、両端部にストッパ３４を備えている。

図２において、３５はイグニションスイッチ、３６は車載バッテリ、３７は車両エンジンに付設された交流発電機（ＡＣＧ）である。交流発電機３７は車両エンジンの動作で発電を開始する。制御装置２２に対してバッテリ３６または交流発電機３７から必要な電力が供給される。制御装置２２はモータ１９に付設されている。また３８はラック軸の移動時にストッパ３４に当たるラックエンドであり、３９はギヤボックスの内部を水、泥、埃等から保護するためのダストシール用ブーツである。

図３は図２中のＡ−Ａ線断面図である。図３では、ステアリング軸１２ｂの支持構造、操舵トルク検出部２０、動力伝達機構１８、ラック・ピニオン機構１５の具体的構成が明示される。

図３において、上記ギヤボックス２４を形成するハウジング２４ａにおいてステアリング軸１２ｂは２つの軸受け部４１，４２によって回転自在に支持されている。ハウジング２４ａの内部にはラック・ピニオン機構１５と動力伝達機構１８が収納され、さらに上部には操舵トルク検出部（トルクセンサ）２０が付設されている。ハウジング２４ａの上部開口はリッド４３で塞がれ、リッド４３はボルトで固定されている。ステアリング軸１２ｂの下端部に設けられたピニオン１３は軸受け部４１，４２の間に位置している。ラック軸１４は、ラックガイド４５で案内され、かつ圧縮されたスプリング４６で付勢されピニオン１３側へ押さえ付けられている。動力伝達機構１８は、モータ１９の出力軸に結合される伝動軸４８に固定されたウォームギヤ１８ａとステアリング軸１２ｂに固定されたウォームホイール１８ｂとによって形成される。操舵トルク検出部２０はリッド４３に取り付けられている。

上記したようにトルクセンサ２０は、ステアリング・ギヤボックス２４内に設けられており、ステアリング軸１２ｂに作用する操舵トルクを検出し、その検出値は制御装置２２へ入力されて、モータ１９に適切な補助操舵トルクを発生させるための基準信号として供給される。

ここで用いられるトルクセンサ２０は、磁歪式トルクセンサであり、図３に示すように、ステアリングホイール１１からステアリング軸１２ａ、自在軸継手１２ｃを介して連結されたステアリング軸１２ｂの表面に例えばＮｉ−Ｆｅめっきのごとき磁気異方性を有する磁歪膜を上下２箇所（２０ｂおよび２０ｃ）でそれぞれ逆方向の異方性となるように軸方向所定幅で設け、磁歪膜２０ｂ，２０ｃに操舵トルクが作用したときに発生する逆磁歪特性を、磁歪膜２０ｂ，２０ｃの周囲に配設されたコイル２０ｄ，２０ｅの交流抵抗等を利用して検知するものである。

次に、本発明のトルクセンサについて詳細に説明する。本発明のトルクセンサは図３に示されるように磁性材からなるステアリング軸（シャフト）１２ｂの周囲２箇所に磁歪膜２０ｂ，２０ｃが設けられ、ステアリング軸１２ｂに設けられた磁歪膜の磁化の変化を検出するコイル２０ｄ，２０ｅが設けられている。また、検出コイル２０ｄ，２０ｅの外周にはヨーク部２０ｆが設けられている。

図４は、トルクセンサの回路構成を示す図である。トルクセンサ２０は、ステアリング軸（シャフト）１２ｂの２ヶ所にそれぞれ逆の磁気異方性を持つように磁歪膜２０ｂ、２０ｃが堆積されている。この回路は、ステアリング軸（シャフト）１２ｂにトルクが印加されたときの磁歪膜２０ｂ，２０ｃの磁化の変化をインダクタンスの変化として検出するコイル２０ｄ，２０ｅと、コイル２０ｄ，２０ｅに直列に接続された抵抗６１ｄ，６１ｅとスイッチング素子６２ｄ，６２ｅと、前記コイル等に第１の所定の電圧を印加する６３ｄ，６３ｅと、抵抗６１ｄ，６１ｅとコイル２０ｄ，２０ｅの接続部から検出端子６４ｄ，６４ｅを設け、検出端子６４ｄ，６４ｅと第２の所定の電圧の端子６５ｄ，６５ｅを選択する選択部６６ｄ，６６ｅ（例えばマルチプレクサを用いる）を備えている。また、選択部６６ｄ，６６ｅからの出力波形の谷の値（もっとも小さい出力電圧の値）を保持して出力するホールド回路６７ｄ，６７ｅを備えている。さらに、スイッチング素子６２ｄ，６２ｅを第１の所定の時間間隔でオンオフさせ、選択部６６ｄ，６６ｅにより、第２の所定の時間間隔で第１の端子６８ｄ，６８ｅと６５ｄ，６５ｅより所定の電圧を印加される第２の端子７１ｄ，７１ｅとを切り換えるようにする。そして、ホールド回路６７ｄから出力される信号からホールド回路６７ｅから出力される信号を減算した信号によってトルク判定を行う。また、端子６９ｄ，６９ｅからの信号はホールド回路７０ｄ，７０ｅを介して検出し、ホールド回路７０ｄからの信号とホールド回路７０ｅからの信号を加算した信号により故障検出を行う。

次に、このように構成されたトルクセンサの動作を説明する。スイッチング素子６２ｄ，６２ｅがオンしたとき、この抵抗６１ｄ，６１ｅとコイル２０ｄ，２０ｅを含む回路に電流が流れ、コイル２０ｄ，２０ｅは、式（１）で示す時間変化で電圧が変化する。スイッチング素子６２ｄ，６２ｅをオンしてから第２所定時間間隔が経過した時刻ｔ_ｂで第１の端子６８ｄ，６８ｅから第２の端子７１ｄ，７１ｅに切り換える。このとき、第１の端子６８ｄ，６８ｅでの電圧は、電圧Ｅとなり、式（３）で表される電圧Ｖ（ｔ_ｂ）がホールド回路６７ｄ，６７ｅで出力される。

スイッチング素子６２ｄ，６２ｅをオフする時刻は、時刻ｔ_ｂ以降であり、好ましくは、コイル２０ｄ，２０ｅに流れる最大電流が、その最大電流により発生するコイル２０ｄ，２０ｅからの磁束により磁歪膜２０ｂ，２０ｃの磁化が飽和する領域に達するまでの値となるようにする。

この抵抗６１ｄ，６１ｅとコイル２０ｄ，２０ｅを含む回路では、スイッチング素子６２ｄ，６２ｅがオンしたときの、端子６８ｄ，６８ｅの電圧の変化は、式（１）で表され、時刻ｔｂのときの選択部６６ｄ，６６ｅが第２の所定の電圧の端子６５ｄ，６５ｅ側に切り替わる。このときの電圧は、式（３）で表される。この電圧を測定することにより、トルクを検出することができる。

図５は、実際の端子６４ｄ，６４ｅでの電圧の変化と、ホールド回路６７ｄ，６７ｅの出力波形である。横軸は時間を表し、縦軸は、電圧である。曲線Ｃ１０は、端子６４ｄ，６４ｅでの電圧の変化である。曲線Ｃ１０の時刻ｔｐから時刻ｔｂまでと点線Ｃ１１，Ｃ１２は、選択部６６ｄ，６６ｅの出力側の端子（選択用の切替端子）での電圧変化であり、直線Ｃ１３は、ホールド回路６７ｄ，６７ｅから出力される検出電圧である。

このトルクセンサ２０では、スイッチング素子６２のオン時間を従来に比べて長くし、好ましくは、コイル２０ｄ，２０ｅに流れる最大電流が、その最大電流により発生するコイル２０ｄ，２０ｅからの磁束により磁歪膜２０ｂ，２０ｃの磁化が飽和する領域に達するまでの値となるようにする。ここで、第１の所定の時間は、時刻ｔｐから時刻ｔｓまでであり、第２の所定の時間間隔は、時刻ｔｐから時刻ｔｂまでである。そのため、コイル２０ｄ，２０ｅが発生する磁場による磁歪膜２０ｂ，２０ｃの磁化が飽和状態となる。つまり、検出するタイミングを適切なホールドタイミングのままとしながらコイルには通電を継続することができるためトルク−電圧特性のヒステリシスを低減させることが可能となる。

磁歪膜２０ｂ側の回路で得られる操舵トルク−電圧特性と磁歪膜２０ｃ側の回路で得られる操舵トルク−電圧特性は、先に述べた磁歪膜の上下２箇所でそれぞれ逆方向となる磁気異方性を反映して縦軸に対してほぼ対称的になる。

トルクの判定は、端子Ａにより検出された電圧から端子Ｂにより検出された電圧を引いた値で行い、その値は、操舵トルクがゼロのときにその値はゼロとなり、操舵トルクの所定の範囲においては、操舵トルクの変化にほぼ直線的に変化する。本発明に係るトルクセンサでは端子Ａと端子Ｂでのトルクと電圧のヒステリシスが小さいために、ヒステリシスの少ない入力トルクの方向と大きさに対応した検出信号を出力する。

図６は、本発明でのトルクセンサでの磁場環境での図１２，図１３で示したものと同様の測定でのヒステリシスの特性である。横軸は、磁場であり、縦軸は、ヒステリシスの割合を示す。曲線Ｃ１０３は図１３で示した従来のトルクセンサでのヒステリシスの割合の変化であり、曲線Ｃ２０が本発明のトルクセンサでのヒステリシスの割合の変化である。図のように、ヒステリシスが従来より小さく観測される。

異常検出は、端子Ｃからの信号ともう一方の端子Ｄからの信号の和をとり、その値が所定値以内かどうかでトルクセンサの異常を検知する。上述のように端子Ｃと端子Ｄからの信号のヒステリシスが小さいため、和のばらつきも小さくなる。そのため、正常判定範囲を従来より狭めて設定することができる。

なお、本実施形態では、励磁コイルを用いない構成のトルクセンサで説明したが、励磁コイルを用いる構成のトルクセンサでも上記の構成と同様に構成することができる。また、ホールド回路６７ｄ，６７ｅでのホールドタイミングはボトムホールド以外にも任意のタイミングで行うことができる。

図７は、励磁コイルを用いるトルクセンサの回路構成を示す図である。この図では、ステアリング軸（シャフト）に設けた２つの磁歪膜のうち、一方の磁歪膜に対する検出回路のみを示している。実際には、この検出回路が２つの磁歪膜に対してそれぞれ設けられる。この回路は、ステアリング軸（シャフト）１２ｂにトルクが印加されたときの磁歪膜２０ｂの磁化の変化をインダクタンスの変化として検出する励磁コイル８０と検出コイル２０ｇと、コイル８０に直列に接続された抵抗８１とスイッチング素子８２と、抵抗８１のコイル８０とは反対側の端子８３を第１の所定の電圧を印加し、検出コイル２０ｆの検出端子８４と第２の所定の電圧の端子８５を選択する選択部８６（例えばマルチプレクサを用いる）を備えている。また、選択部８６からの出力波形の谷の値を保持して出力するホールド回路８７を備えている。さらに、スイッチング素子８２を第１の所定の時間間隔でオンオフさせ、選択部８６により、第２の所定の時間間隔で検出端子８４と第２の所定の電圧の端子を切り換えるようにする。そして、ホールド回路８７から出力される信号から磁歪膜２０ｃに対する図示しないホールド回路から出力される信号を減算した信号によってトルク判定を行う。また、端子８８からの信号はホールド回路８９を介して検出し、ホールド回路８９からの信号と磁歪膜２０ｃに対する図示しないホールド回路からの信号を加算した信号により故障検出を行う。このように構成されたトルクセンサの動作は、励磁コイルを用いないトルクセンサとほぼ同様であるので説明を省略する。

本発明は、トルクに対する検出電圧の変化においてヒステリシスが小さく、また、異常検出精度の良いトルクセンサとして利用される。

本発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図である。 電動パワーステアリング装置１０の機械的機構の要部と電気系の具体的構成を示す図である。 図２中のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係るトルクセンサの回路構成を示す図である。 本発明に係るトルクセンサの各端子での電圧波形である。 本発明に係るトルクセンサを用いたときのヒステリシスの大きさを示すグラフである。 本発明に係るトルクセンサの別の回路構成を示す図である。 従来のトルクセンサの検出回路を示す図である。 従来のトルクセンサでの各端子での電圧波形である。 操舵トルクと検出される電圧の関係を示すグラフである。 トルクに対する２つの検出される電圧の和による異常判定のための範囲を示す図である。 トルク−検出電圧特性のヒステリシス曲線である。 従来のトルクセンサのヒステリシスの大きさを示すグラフである。

符号の説明

１０ 電動パワーステアリング装置
１１ ステアリングホイール
１２ａ，１２ｂ ステアリング軸
１２ｃ 自在軸継手
１３ ピニオンギヤ
１４ａ ラックギヤ
１４ ラック軸
１５ ラック・ピニオン機構
１６ タイロッド
１７ 前輪
１８ 動力伝達機構
１９ モータ
２０ 操舵トルク検出部（トルクセンサ）
２０ａ 磁気シールド
２０ｂ，２０ｃ 磁歪膜
２０ｄ，２０ｅ コイル
２０ｆ ヨーク部
２２ 制御装置
６１ｄ，６１ｅ 抵抗
６２ｄ，６２ｅ スイッチング素子
６３ｄ，６３ｅ 端子
６４ｄ，６４ｅ 端子
６６ｄ，６６ｅ 選択部
６７ｄ，６７ｅ ホールド回路

Claims (6)

1. 磁歪膜が設けられたシャフトと、
   前記磁歪膜の磁気特性の変化を検出する検出コイルと、
   前記検出コイルに対して直列に接続された抵抗およびスイッチング素子と、
   前記抵抗と前記検出コイルの間に設けられた第１の端子と、
   所定電圧が印加された第２の端子と、
   前記第１の端子と前記第２の端子のうちのいずれかの端子に接続される選択用切替端子を有する選択手段と、
   前記選択手段の前記選択用切替端子が前記第１の端子に接続されているとき前記検出コイルの出力電圧のもっとも小さい電圧値を保持するホールド手段を備え、
   前記選択手段の前記選択用切替端子が前記第１の端子に接続された状態で前記スイッチング素子を第１の所定の時間間隔（ｔｐ〜ｔｓ）でオン状態にさせると共に、前記スイッチング素子のオン動作開始後であって第２の所定の時間間隔（ｔｐ〜ｔｂ）の経過後に前記選択手段の前記選択用切替端子を前記第１の端子から前記第２の端子に切り替え、さらに、前記第１の所定の時間間隔と前記第２の所定の時間間隔を繰り返し、
   前記ホールド手段から出力された電圧信号に基づいて前記シャフトに印加されたトルクを検出する、
   ことを特徴とするトルクセンサ。
2. シャフトの２ヶ所にトルクに対してそれぞれ逆方向となる磁気異方性を有する磁歪膜を設け、
   前記２つの磁歪膜それぞれの磁気特性の変化を検出する２つの検出コイルと、
   前記２つの検出コイルのそれぞれに対して、個別に、直列に接続された抵抗およびスイッチング素子とを備え、さらに
   前記２つの検出コイルの各々について、
   前記抵抗と前記検出コイルの間に設けられた第１の端子と、所定電圧が印加された第２の端子と、前記第１の端子と前記第２の端子のうちのいずれかの端子に接続される選択用切替端子を有する選択手段と、前記選択手段の前記選択用切替端子が前記第１の端子に接続されているとき前記検出コイルの出力電圧のもっとも小さい電圧値を保持するホールド手段を備えており、前記選択手段の前記選択用切替端子が前記第１の端子に接続された状態で前記スイッチング素子を第１の所定の時間間隔（ｔｐ〜ｔｓ）でオン状態にさせると共に、前記スイッチング素子のオン動作開始後であって第２の所定の時間間隔（ｔｐ〜ｔｂ）の経過後に前記選択手段の前記選択用切替端子を前記第１の端子から前記第２の端子に切り替え、さらに、前記第１の所定の時間間隔と前記第２の所定の時間間隔を繰り返し、
   前記２つの検出コイルの各々の前記ホールド手段からの出力された電圧信号の差に基づいて前記シャフトに印加されたトルクを検出することを特徴とするトルクセンサ。
3. 前記２つの検出コイルからの検出電圧値の和に基づいて故障の有無を検出することを特徴とする請求項２記載のトルクセンサ。
4. 前記スイッチング素子の前記第１の所定の時間間隔は、前記検出コイルに流れる最大電流が、その最大電流により発生する前記検出コイルからの磁束により前記磁歪膜の磁化が飽和する領域に達するまでの値になる時間であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のトルクセンサ。
5. 前記選択手段の第２の端子への切替えタイミングは、前記スイッチング素子のオン時間内にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のトルクセンサ。
6. ステアリング系にトルクを付与するモータと、
   前記ステアリングに入力される操舵トルクを検出するトルク検出手段と、
   少なくとも前記トルク検出手段からの信号に応じて前記モータの目標電流を演算する目標電流演算手段と、
   前記モータを駆動する駆動手段とを備える電動パワーステアリング装置において、
   前記トルク検出手段として請求項１〜５のいずれか１項に記載のトルクセンサを用い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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