JP5695346B2 - パワーステアリング用トルクセンサ及びこれを備える電動式パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワーステアリング用トルクセンサ及びこれを備える電動式パワーステアリング装置に関し、特に、消費電力の低減を図る際に用いて好適のものである。

車両に搭載される電動式パワーステアリング装置ＥＰＳ（Electric Power-Steering
System）は、操作トルクを検出するパワーステアリング用トルクセンサ（以下、単にトルクセンサと呼ぶ）と、トルクセンサの信号に応じてアシストトルクを適宜に調整させる電動パワーステアリング用モータユニット（以下、モータユニットと呼ぶ）と、操作トルクにアシストトルクを加えた出力トルクを発生させるギヤボックスとから構成される。かかる電動式パワーステアリング装置は、操縦者がハンドルを操作すると、ステアリングシャフトにトルクが加わり、このトルクの状態をトルクセンサが検出する。その後、電動式パワーステアリング装置は、トルクセンサの信号に応じて電動モータをドライブさせ、操縦者の操縦意図に応じたアシストトルクを発生させる。

電動式パワーステアリング装置では、ステアリングシャフトに形成された磁歪材から透磁率の変動を検出する磁歪式トルクセンサ、ホール素子を用いてトーションバーの捩れを検出するホール素子式トルクセンサ、トーションバーの捩れに応じて磁束の通過断面を変動させるインダクタンス式トルクセンサ、この他、レゾルバ式トルクセンサ等の種々のセンサが実用化されている。

しかしながら、これらのトルクセンサは、シャフトの捩れ角に相当する情報を検出してハンドル操作時の操作トルクを検出するため、シャフトの捩れ角を精度良く検出するには、剛性の低いトーションバーを用いることが必要となる。このため、電動式パワーステアリング装置は、トーションバー周辺の機構が複雑となり、部品点数の増加、装置の大型化、コストの高騰を招くとの問題が生じていた。

かかる問題を回避する技術として、特願２０１０−０４１３２１号公報（特許文献１）では、モータ技術をトルクセンサ（以下、モータ式トルクセンサと呼ぶ）に適用させたものが紹介されている。当該モータ式トルクセンサは、回転子及び固定子から成るモータと、当該モータに配線された信号処理回路とから構成される。回転子は、ステアリングシャフトに固定され、ハンドル操作に応じて一緒に回動する。また、固定子は、電動式パワーステアリング装置の内部に取付けられ、ワイヤ線によって形成された複数のコイルが内輪部に配列されている。そして、ステアリングシャフトが電動式パワーステアリング装置に組み込まれると、回転子及び固定子は、互いに同軸的に配置されモータを形成する。

かかるモータ式トルクセンサは、信号処理回路から信号（所謂、無効信号）が入力されると、固定子内部のコイルの磁束が制御され、センサ内部に回転磁界が形成される。ここで、ハンドルが操作されていないとき、固定子内部のコイル（以下、内部コイルと呼ぶ）では、回転磁界に応じた特定の電流（以下、停止電流と呼ぶ）が流れることとなる。そして、回転磁界と同一方向にハンドル操作が行われると、回転子と回転磁界との間に生じる「滑り」が減少し、内部コイルに生じる誘起電流が先の停止電流よりも低下する。一方、回転磁界と逆方向にハンドル操作が行われると、上述した「滑り」が増加し、内部コイルに生じる誘起電流が先の停止電流よりも増加する。従って、信号処理回路では、かかる誘起電流の増減に基づいてハンドルの操作方向が認識される。また、誘起電流は回転磁界に対する回転子の「滑り」を示すので、信号処理回路では、かかる誘起電流の大きさに基づいてハンドル操作時の操作トルクを認識することが可能となる。

特願２０１０−０４１３２１号公報

しかしながら、特許文献１の技術によれば、回転磁界を与えて操作トルク及び操作方向を検出しているため、回転磁界を生成させるための電力を固定子内部のコイルへ定常的に供給しなければならず、消費電力が大きくなるとの問題が生じる。かかる問題は、トルクセンサの電源が車載バッテリによって供給される性質上、当該トルクセンサでの電力消費量を幾分でも低減させることが望まれる。

また、特許文献１の技術では、ハンドルを操作していない場面であっても、回転磁界によって発生するトルクがステアリングシャフトに加えられてしまう。このため、ステアリングシャフトは、二つのモータ式トルクセンサが設けられ、双方のトルクセンサで生じる回転磁界が逆向きに制御されることで、回転磁界に起因するトルク成分がキャンセルされる。このように、特許文献１に係る電動式パワーステアリング装置では、モータ式トルクセンサが少なくとも２つ組み込まれる構成となり、当然の如く、装置構成の複雑化を招き、また、コストの高騰をも招来するとの問題が生じる。

本発明は上記課題に鑑み、簡素な構成で且つ消費電力を格段に抑え得るパワーステアリング用トルクセンサ及び電動式パワーステアリング装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では次のようなパワーステアリング用トルクセンサの構成とする。即ち、ハンドル操作に応じて回動する回転子と、コイルを形成させるワイヤ線及び前記コイルに対応して並列接続された抵抗から成る並列回路が構成された固定子側回路と、前記コイルを配置させ且つ前記回転子との組合せにより発電機が構成される固定子と、を備え、
前記固定子側回路は、電源を伴わずに前記ハンドル操作に応じて動作信号を発生させるものであって、前記発電機は、アシストトルクを発生させるモータとは異なる構成として設けられていることとする。

また、本発明では次のようなパワーステアリング用トルクセンサの構成としても良い。即ち、ハンドル操作に応じて回動する回転子と、コイルを形成させるワイヤ線及び前記コイルに対応して並列接続された抵抗から成る少なくとも３個以上の並列回路が構成された固定子側回路と、前記コイルの各々を配置させ且つ前記回転子との組合せにより発電機が構成される固定子と、を備え、
前記固定子側回路は、電源を伴わずに前記ハンドル操作に応じて位相の異なる複数の動作信号を発生させるものであって、前記発電機は、アシストトルクを発生させるモータとは異なる構成として設けられていることとする。

これらの発明において、好ましくは、前記固定子側回路は、信号伝達手段との接点から前記動作信号を出力させることとする。

上述の発明について、更に、前記ハンドル操作時の操作トルクを示すトルク信号を出力する信号処理回路が設けられ、前記トルク信号は、前記動作信号の大きさに基づいて生成されることとしても良い。

この他、前記ハンドル操作時の操作トルクを示すトルク信号を出力する信号処理回路が設けられ、前記トルク信号は、前記動作信号の周波数に基づいて生成されることとしても良い。

この他、前記ハンドル操作時の操作方向を示す方向信号を出力する信号処理回路が設けられ、前記方向信号は、前記複数の動作信号の位相に基づいて生成されることとしても良い。

この他、前記ハンドル操作時の操作トルクを示すトルク信号及び操作方向を示す方向信号を出力する信号処理回路が設けられ、前記トルク信号は、前記複数の動作信号のうち少なくとも何れか一つ以上の動作信号の大きさに基づいて生成され、前記方向信号は、前記複数の動作信号の位相に基づいて生成されることとしても良い。

この他、前記ハンドル操作時の操作トルク及び操作方向を示す方向信号を出力する信号処理回路が設けられ、前記トルク信号は、前記複数の動作信号のうち少なくとも何れか一つ以上の動作信号の周波数に基づいて生成され、前記方向信号は、前記複数の動作信号の位相に基づいて生成されることとしても良い。

より好ましくは、前記信号処理回路は、前記方向信号を生成するフリップフロップ回路を具備することとする。

また、上述した何れかの発明に記載のパワーステアリング用トルクセンサを備える電動式パワーステアリング装置とすることもできる。

本発明に係るパワーステアリング用トルクセンサによると、発電作用によってハンドル操作を示す動作信号が生成されるので、トルクセンサを構成する発電機での消費電力は一切不要となる。このため、電動式パワーステアリング装置では、トルクセンサから出力される信号をセンシングするための電力が格段に低減される。

また、本発明に係るパワーステアリング用トルクセンサによると、ハンドル操作を行っていない場面では固定子内部のコイルに電流が発生しないので、電動式パワーステアリングへ組込む発電機を一個としても、当該トルクセンサに起因する不要なトルクが発生せず、自動車の直進走行時の操作性能が向上する。そして、電動式パワーステアリングでは、かかる如くトルクセンサが一個とされるので、装置構成の簡素化が図られ、また、これによるコストの低廉化も図られる。

更に、本発明に係るパワーステアリング用トルクセンサでは、発電機の動作のみによってハンドル操作の状態（操作方向、操作トルク）を検出できるので、ハンドル側の操作機構とタイヤ側の操舵機構とを機械的に独立させた電動式パワーステアリング装置に用いることができる。このため、本発明に係る電動式パワーステアリングによると、操縦者が操作を行なう機構とタイヤ側の操舵機構とを機械に独立させたステアリングシャフトを用いれば、ステアバイワイヤー化された装置構成が可能となる。

電動式パワーステアリング装置の構成を示す図。 ＥＰＳモータの動力伝達機構を示す図。 実施の形態に係るトルクセンサの構成を示す図。 実施の形態に係るトルクセンサの断面構造を示す図。 実施の形態に係るトルクセンサと信号処理回路とを示す図。 実施の形態に係る固定子側回路を示す図。 実施の形態に係る信号処理回路を示す機能ブロック図。 トルク信号の生成されるプロセスを説明する図。 ハンドルを右方向へ操作したときの状態遷移図。 右操作時の方向信号が生成されるプロセスを説明する図。 ハンドルを左方向へ操作したときの状態遷移図。 左操作時の方向信号が生成されるプロセスを説明する図。

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して説明する。図１に示す如く、電動式パワーステアリング装置２００は、コラム式の電動式パワーステアリング装置であって、ステアリングシャフト２１１及びシャフトケース２２０及びトルクセンサ収容部３００及び信号端子３００ａ及びギヤボックス２５０から成る本体部２００と、当該本体部に固定されるモータユニット１００とから構成される。以下、ステアリングシャフト２１１の軸心を軸方向とし、当該軸方向のギヤボックス２５０が配される側をリア側ＤＲと称し、当該リア側ＤＲの反対側をフロント側ＤＦと称することとする。尚、フロント側ＤＦには、伝達シャフトＣＳＨを介してピニオンギヤボックスＰＧＷが接続され、リア側ＤＲには、ハンドル装置ＨＤＭが接続される。

ハンドル装置ＨＤＭ（図示なし）は、操縦者によって操作されるハンドルを具備し、当該ハンドルが操作されることにより電動式パワーステアリング装置のステアリングシャフト２１１を回動させる。ハンドル装置ＨＭＤには、衝突事故の際に操縦者を保護するエアバッグ装置、又は、アシストトルク発生させるアシスト装置等を具備するものも有る。

ステアリングシャフト２１１は、円柱状の棒体を成し、シャフトケース２２０に収容されている。当該ステアリングシャフト周辺の機構は、内部にトーションバーを具備しないため、非常に簡素なものとされる。ステアリングシャフト２１１は、フロント側ＤＦに雄ネジ２１１ａ及びスプライン２１１ｂが形成され、リア側ＤＲにもスプライン２１２が形成されている。かかるステアリングシャフト２１１は、リア側ＤＲにはハンドル装置ＨＤＭが接続され、フロント側ＤＦにはピニオンギヤボックスＰＧＷが接続され、ハンドル操作によって生じる操作トルクを車輪の操舵機構（図示なし）へ伝達する。

トルクセンサ収容部３００は、ステアリングシャフト２１１を挿通させ、当該ステアリングシャフト２１１の周辺にトルクセンサ（図示なし）が配置される。トルクセンサ（特許請求の範囲におけるパワーステアリング用トルクセンサ）は、ワイヤ線が引き出され、信号端子３００ａへ適宜に配線されている。この信号端子３００ａは、ハーネス（図示なし）を介してモータユニット１００の制御回路１５０へ接続されている。そして、トルクセンサは、ステアリングシャフト２１１が回動すると、操作トルクを示すトルク信号及び操作方向を示す方向信号をモータユニット１００に対して出力する。尚、図示されないトルクセンサについては、追って詳述することとする。

ギヤボックス２５０は、図示の如く、ギヤ側ブラケット２５２が一体的に形成され、ボルトナットＢ／Ｎを用いてモータユニット１００を固定させている。図２を参照し、ギヤボックス２５０の内部構造について説明する。同図には、図１中のＡ−Ａ断面を矢線方向に観察した断面図が示されている。かかるギヤボックス２５０は、ウォーム収容部２５１と平歯車収容部２５２とが一体的に形成されている。

ウォーム収容部２５１は、モータユニット１００の動作に連動して回動する入力シャフト２５３を備えている。当該入力シャフト２５３は、ウォームギヤ２５３ｇが形成され、ベアリング２５４ａ，２５４ｂによって回動自在に軸支される。

平歯車２５２ｇは、ウォームギヤ２５３ｇと同一モジュールの歯が形成され、当該ウォームギヤ２５３ｇに歯合される。平歯車収容部２５２は、中心部にステアリングシャフト２１１が軸着され、当該ステアリングシャフト２１１は、平歯車２５２ｇの動作に連動して回動する。即ち、ギヤボックス２５０に内蔵されるこれらの部品によって、電動式パワーステアリング装置用の減速ギヤ機構が構成される。

図１に戻り説明を続ける。モータユニット１００は、制御モータが内蔵されたモータ収容部１６０と、モータ駆動用トランジスタ（パワートランジスタ）等のドライブ回路を内蔵させた電力変換部１３０と、モータ駆動用トランジスタの駆動信号を生成させる制御回路部１５０とから構成される。制御回路部１５０は、トルクセンサからトルク信号を受信すると、アシストトルクを発生させるのに必要なＰＷＭ信号を生成出力させる。このとき、ドライブ回路では、ＰＷＭ信号に応じて各パワートランジスタが適宜に駆動され、端子部１４０から印加された電力を適宜の波形に変換させる。これにより、制御モータは、ドライブ回路によって適宜に制御され、トルク信号及び方向信号に対応した出力トルクを発生させる。

かかる構成を具備する電動式パワーステアリング装置は、操縦者がハンドル装置ＨＤＭを操作すると、そのハンドル操作に応じてステアリングシャフト２１１に操作トルクが伝えられる。これを受けて、トルクセンサでは、ハンドル操作に応じたトルク信号及び方向信号を出力させ、モータユニット１００に対してアシストトルクを要求する。制御回路部１５０では、トルクセンサの信号を受けて、必要とされるアシストトルクのトルク量とアシスト方向とを算出し、モータユニット１００は、ウォ−ムギヤ２５３ｇ及び平歯車２５２ｇを介して、ステアリングシャフト２１１へアシストトルクを与える。即ち、電動式パワーステアリング装置は、トルクセンサからの信号に基づいてアシストトルクを発生させ、操縦者のハンドル操作に必要な力を軽減させる。

図３は、トルクセンサ収容部３００へ内蔵されるトルクセンサＴＳの構成が示されている。トルクセンサＴＳは、発電機３１０を主構成とするものであって、具体的には、回転子３１２と固定子３１１とから構成される。固定子３１１及び回転子３１２は、積層された珪素鋼板から成る。このうち、固定子３１１には、内部にスロット形成部ＳＬが設けられ、当該スロット形成部ＳＬにコイルが巻回される。このコイルは、図示されない抵抗及びワイヤ線から成る固定子側回路を具備する。一方、本実施の形態に係る回転子３１２は、永久磁石が円周上に設けられている。即ち、本実施の形態に係る発電機は、同期式の発電機とされる。但し、特許請求の範囲に記されるトルクセンサの用語の意義は、誘導式発電機によって構成されるものを含むものである。従って、トルクセンサＴＳとして用いられる回転子は、籠型発電機用の回転子に置換えられても良く、巻線型発電機用の回転子に置換えられても良い。

図４は、トルクセンサ収容部３００及び発電機３１０の断面構造が示されている。図示の如く、トルクセンサ収容部３００は、ハウジング３０１を具備し、当該ハウジング３０１の内周側にトルクセンサＴＳを収容させている。

ハウジング３０１は、固定子３１１の外周面が嵌入され、ギヤボックス２５０及びシャフトケース２２０のフランジ部によって適宜な位置に配置される。そして、ギヤボックス２５０及びシャフトケース２２０及びハウジング３０１は、複数個所に設けられたボルトナットＢ／Ｎによって一体的に固定される。また、ハウジング側のフランジには径方向に貫通孔が形成され、信号ラインＬ１及びＬ２が挿通されている。

ステアリングシャフト２１１は、図示されないベアリング等によって回動自在に軸支され、固定子３１１の中心軸に対して略同軸的に配置される。回転子３１２は、ステアリングシャフト２１１に固定されているので、操縦者のハンドル操作に応じて固定子３１２の内部を回動することとなる。

上述の如く、本実施の形態に係るトルクセンサによると、トーションバー及びこれを固定させる複雑な機構を排除できるので、部品点数の減少、装置の小型化、コストの低減を図ることができる。

図５は、トルクセンサＴＳと信号処理回路４００との配線が示されている。尚、同図には、図４に示されるａ−ａ断面から観察した状態が示されている。

図示の如く、固定子３１１には、スロット形成部ＳＬａ〜ＳＬｃが１２０°毎に形成され、ワイヤ線が巻回されたコイルＬａ〜Ｌｃは、スロット形成部に対応して設けられる。各々のコイルの末端は、回転子３１２に対向する用にレイアウトされ、永久磁石が通過するとコイルの内部を通過する磁束が変動する。本実施の形態では、各々のコイルは、Ｓ極が接近すると正電圧を発生させ、Ｎ極が接近すると負電圧を発生させるように、コイルのワイヤ線が巻回されている。

また、各々のコイルには、各コイルに対応する抵抗が並列接続されている。尚、同図では、ａ点−ａ点間の配線，ｂ点−ｂ点間の配線，ｃ点−ｃ点間の配線が図示省略されているが、実際にはこれらの区間にもワイヤ線が配線されている。

図６には、コイル、抵抗、ワイヤ線によって形成される固定子側回路が示されている。本実施の形態に係る固定子側回路３１３は、Δ結線が採用される。具体的に説明すると、コイルＬａ〜ＬｃがΔ状に配線され、同様に、抵抗Ｒａ〜ＲｃもΔ状に配線される。更に、コイル側の接点Ｘ１〜Ｘ３と抵抗側の接点Ｙ１〜Ｙ３とは、ワイヤ線によって互いに接続されている。固定子側回路３１３は、コイルＬａ及び抵抗Ｒａから成る第１の並列回路と、コイルＬｂ及び抵抗Ｒｂから成る第２の並列回路と、コイルＬｃ及び抵抗Ｒｃから成る第３の並列回路とから構成される。尚、本実施の形態では固定子側回路がΔ結線とされているが、これに限らず、Ｙ結線とした固定子側回路を用いることも可能である。

かかる固定子側回路３１３は、例えば、回転子のＳ極又はＮ極（以下、総称して磁極と呼ぶ場合がある）がスロット形成部ＳＬａを通過する際、コイルＬａで誘起電圧Ｖａを発生させる。同様に、回転子のＳ極又はＮ極がスロット形成部ＳＬｃを通過する際、コイルＬｃで誘起電圧Ｖｃを発生させる。ここで、各コイルで発生する誘起電圧は、並列回路を成す抵抗によって調整されるものであって、ハンドル操作に応じて発生する動作信号を指すものである。即ち。固定子側回路３１３では、ハンドル操作に伴って回転子３１２が回動すると、コイルを貫通する磁束が変化され、これにより、ハンドル操作を示す動作信号が生成される。尚、かかる動作信号は、回転子３１２及び固定子３１１から成る発電機の発電作用によって発生するので、当該信号生成に係る電力は不要である。

図示の如く、固定子側回路３１３には、信号ラインＬ１及びＬ２（信号伝達手段）が設けられている。このうち、信号ラインＬ１は、接点Ｘ１〜接点Ｙ１間のワイヤ線に接続され、信号ラインＬ２は、接点Ｘ２〜Ｙ２間のワイヤ線に接続される。また、接点Ｘ３〜接点Ｙ３は、自動車のシャーシに接触される等して、自動車の基準電位に一致することとなる。

このように、固定子側回路３１３に接続された信号伝達手段を用いることで、トルクセンサＴＳで発生した動作信号を取り出すことが可能となる。尚、信号伝達手段（本実施の形態では信号ライン）は、必ずしもワイヤ線に接続されることを必要としない。例えば、固定子側回路のワイヤ線にコイル式センサ等が設けられるのであれば、信号伝達手段は、其のセンサ装置に接続されることとなる。

本実施の形態に係るトルクセンサＴＳは、３箇所にコイルが配列され、異なる接点Ｘ１，Ｘ２に信号ラインが各々接続されている。ここで、ハンドルが「Ｌｃ→Ｌｂ→Ｌａ（右回転方向）」へ操作されると、先ず、コイルＬｃを磁極が通過し、接点Ｘ１の電位が変動する。このとき、信号ラインＬ１からは、接点Ｘ１での電位の変動に応じて動作信号Ｓｇ１が出力される。また、回転子３１２は右方向へ回転されるので、コイルＬｂを磁極が通過し、接点Ｘ２での電位が変動する。このとき、信号ラインＳｇ２からは、接点Ｘ２での電位の変動に応じて動作信号Ｓｇ２が出力される。

一方、ハンドルが「Ｌａ→Ｌｂ→Ｌｃ（左回転方向）」へ操作されると、先ず、コイルＬａを磁極が通過し、接点Ｘ２の電位が変動する。このとき、信号ラインＬ２からは、接点Ｘ２での電位の変動に応じて動作信号Ｓｇ２が出力される。また、回転子３１２は左方向へ回転されるので、コイルＬｂを磁極が通過し、接点Ｘ１での電位が変動する。このとき、信号ラインＳｇ１からは、接点Ｘ１での電位の変動に応じて動作信号Ｓｇ１が出力される。

即ち、本実施の形態では、信号ラインＬ１，Ｌ２が異なる位置に接続されることにより、回転子の回転動作に応じて発生する動作信号の発生タイミング（動作信号における位相の相異）が検出され、これにより、操作方向の検出が可能となる。

このような方法で回転方向を検出する場合、仮に２個のコイルから成る固定子を用いると、回転子３１２は、回動方向に関わらず「第１のコイル→第２のコイル→第１のコイル→・・・」の順で各コイルを励起させることとなり、動作信号に操作方向の情報を付加できなくなる。このため、固定子には、３相以上のコイルを形成させるのが好ましい。また、異なる相のコイルを３個以上組合せることで、信号ラインを２箇所以上に設け且つ基準電位へのグランドラインを確保することが可能となる。

再び図５に戻り説明を続ける。図示の如く、トルクセンサＴＳには、更に信号処理回路４００が設けられている。当該信号処理回路４００は、入力部へ信号ラインＬ１及びＬ２が接続され、信号ラインＬ１を介して駆動信号Ｓｇ１が入力され、信号ラインＬ２を介して駆動信号Ｓｇ２が入力される。そして、本実施の形態に係る信号処理回路４００では、かかる駆動信号Ｓｇ１，Ｓｇ２に基づいて信号処理を行い、トルク信号Ｓｔと方向信号Ｓｒとを出力させる。尚、トルク信号Ｓｔとは、ハンドル操作時の操作トルクを示す信号を言い、方向信号とは、ハンドル操作時の操作方向（右回転方向／左回転方向）を示す信号を言う。

図７は、信号処理回路の機能ブロック図が示されている。かかる信号処理回路４００は、トルク信号生成回路４１０と方向信号生成回路４２０とから構成される。このうち、トルク信号生成回路４１０は、フィルタ回路４１１と増幅回路４１２と整流回路４１３と平滑回路４１１とから構成される。

フィルタ回路４１１は、信号ラインＬ１に接続され、ハンドル操作によって発生した動作信号Ｓｇ１が入力される。フィルタ回路４１１は、内部にローパスフィルタを構成させ、動作信号Ｓｇ１に重畳される高周波ノイズ成分を除去させる。この動作信号Ｓｇ１は、コイルＬｂを磁極が左回転方向に通過する時、及び、コイルＬｃを磁極が右回転方向へ通過する時に発生する。そして、動作信号の波形は、図８（ａ）に示す如く略サインカーブを呈し、Ｓ極がコイル先端に接近するときに正電位を示し、Ｎ極が接近するときに負電位を示す。

本実施の形態に係る発電機にあっては、ハンドルの操作（操作トルク）に応じて、回転子３１２の角速度が変動する。このため、固定子３１１に設けられたコイルの内部では、操作トルクが変動すると、単位時間ｄｔあたりの磁束Φの変化量（ｄΦ／ｄｔ）が増減する。従って、ハンドルを穏やかに操作すると（低角速度時）、動作信号Ｓｇ１は、コイル内部でのサイン波形の振幅を小さくする傾向を示す。一方、急激なハンドル操作を与えると（高角速度時）、動作信号Ｓｇ１は、サイン波形の振幅を大きくする傾向を示す。例えば、自動車が高速走行している場面では、ハンドルは緩やかに操作されるので、サイン波形の振幅が小さく現われる。これに対し、市街地の交差点で右左折するような場面では、ハンドルは急速度で回されるので、サイン波形の振幅が大きく現われる。

増幅回路４１２は、フィルタ回路４１１の後段に接続され、内部のオペアンプＩＣには正負両極の電源が与えられている。このオペアンプＩＣへ投入される電源電圧の絶対値は、動作信号における電圧値の絶対値よりも高く設定されている。このため、増幅回路４１２では、図８（ｂ）に示す如く、入力された動作信号Ｓｇ１の振幅を正負方向へ増幅させることとなる。

整流回路４１３は、入力波形を全波整流させ、具体的に説明すると、図８（ｃ）に示される状態の波形が成形させる。

平滑回路４１４は、平滑用に設けられたコンデンサから成るものであって、整流回路４１３の出力ラインに接続される。このコンデンサは、入力される電流Ｉを出力電圧Ｖｔ（トルク信号Ｓｔ）へ変換する役割を担うため、出力電圧Ｖｔが信号値として所定の範囲に収まるよう、電気容量が適宜に選択される。平滑回路４１４として用いられるコンデンサでは、全波整流波によって発生した電流Ｉが電荷となって蓄積され、この電荷は、コンデンサの極板に帯電し出力電圧Ｖｔを生成させる。かかる出力電圧Ｖｔは、全波整流波が平滑され、当該全波整流波のピーク値近傍の電圧値に制御される。以上のことから、平滑回路４１４へ入力される全波整流波は、操作トルクＴｑに応じてピーク値が変動するため、出力電圧Ｖｔ（トルク信号Ｓｔ）は、操作トルクＴｑに応じて電圧値の大きさが変動することとなる。

トルク信号Ｓｔは、モータユニット１００の制御回路部１５０に格納された演算回路へ入力される。当該演算回路は、ＣＰＵ，ＡＤ変換回路，メモリ回路等を具備し、マイコンのような演算機能を発揮させるものである。特に、メモリ回路には、出力電圧Ｖｔとモータ駆動用トランジスタの動作（デューティー比）との関係を記録した駆動信号用マップと、モータを駆動させるための制御プログラムとが格納されている。この駆動信号用マップの作成にあたっては、ステアリングシャフト２１１へ数種類の操作トルクＴｑを加える実験を行ない、操縦者の操作トルクＴｑに対して適切なアシストトルクを予め規定しておく。このうち、操作トルクＴｑは、トルク信号Ｓｔの電圧値変化に置換えることができる。また、アシストトルクは、モータ駆動用トランジスタのデューティー比に置換えることができる。このことから、アシストトルクを発生させるに必要な情報は、出力電圧Ｖｔの電圧値変化とモータ駆動用トランジスタのデューティー比ということができる。このため、本実施の形態に係る駆動信号用マップには、各出力電圧の変化に対応するデューティー比が記録される。

かかる構成とされた演算回路は、トルク信号Ｓｔが入力されると、其の電圧値変化を認識し、トルク信号の電圧値変化に対応するデューティー比をメモリ回路から選択する。即ち、モータユニット１００の演算回路では、トルク信号Ｓｔから操作トルクＴｑを推定し、この操作トルクＴｑに相応しいアシストトルクを発生するよう、モータ駆動用トランジスタのデューティー比を設定させる。

図７へ戻り、方向信号生成回路４２０について説明する。図示の如く、方向信号生成回路４２０は、増幅回路４１５及び４２２とフィルタ回路４２１とフリップフロップ回路４２３とから構成される。

増幅回路４１５は、上述したフィルタ回路４１１に接続され、動作信号Ｓｇ１が入力される（図１０ａ参照）。また、内部のオペアンプＩＣには正両極の電源が与えられ、基準電圧が０Ｖとされている。更に、オペアンプＩＣの周囲の抵抗は、増幅率を十分高く設定させ動作信号Ｓｇ１の値を正極電源に収束させる。このため、増幅回路４１５から出力された出力信号は、入力されたサイン波形の負成分をキャンセルさせると供に、サイン波形の正極成分を矩形波Ｓｐ１へ変換させる（図１０ｃ参照）。

一方、フィルタ回路４２１は、動作信号Ｓｇ２のノイズ成分を除去させ、当該動作信号Ｓｇ２を増幅回路４２２へ入力させる（図１０ｂ参照）。かかる増幅回路４２２にあっても、内部のオペアンプＩＣには正両極の電源が与えられ、基準電圧が０Ｖとされ、矩形波Ｓｐ２を形成させる機能を担う（図１０ｄ参照）。

フリップフロップ回路４２３は、時間要素を取入れた論理回路であって、本実施の形態にあってはＤ型のフリップフロップ素子Ｄ−ＦＦが用いられる。本実施の形態に係るフリップフロップ素子Ｄ−ＦＦは、信号入力端子Ｄとクロック入力端子ＣＬＫと信号出力端子Ｑとを具備している。このうち、信号入力端子Ｄは、増幅回路４１５の出力部が接続され、動作信号Ｓｇ１に基づいて生成された矩形波Ｓｐ１が入力される。一方、クロック入力端子ＣＬＫは、増幅回路４２２の出力部が接続され、動作信号Ｓｇ２に基づいて生成された矩形波Ｓｐ２が入力される。

フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦの機能は、クロック入力端子ＣＬＫへパルス（常時：Ｌｏｗ／パルス発生時：Ｈｉｇｈ）が入力されると、パルスが入力された瞬間における信号入力端子Ｄの信号状態が出力される。具体的に説明すると、信号入力端子Ｄへの信号（本実施の形態の場合、動作信号Ｓｇ１）がＬｏｗ状態のときに、クロック入力端子ＣＬＫのパルス（動作信号Ｓｇ２）が入力されると、出力端子Ｑからは、Ｌｏｗ状態の信号が出力される。これに対し、信号入力端子Ｄへの信号（本実施の形態の場合、動作信号Ｓｇ１）がＨｉｇｈ状態のときに、クロック入力端子ＣＬＫのパルス（動作信号Ｓｇ２）が入力されると、出力端子Ｑからは、Ｈｉｇｈ状態の信号が出力される。尚、フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦから出力される信号は、操作方向信号Ｓｒに相当する。

ここで、ハンドルが右方向へ操作される場合の操作信号について説明する。図９にはハンドルが右方向へ操作される際の回転子の動作が示されている。先ず、図９（ａ）に示す如く、回転子３１２の磁極がコイルＬｃを通過すると、図６で示すように接点Ｘ１での電位が変動し、信号ラインＬ１から動作信号Ｓｇ１を出力させる。この動作信号Ｓｇ１は、図１０（ａ）に示す如く正弦波として現われ、ロータ３１２の回転周期に対応して現われる。かかる動作信号Ｓｇ１は、増幅回路４１５によって矩形波Ｓｐ１へと変換される（図１０ｃ参照）。

回転子３１２の磁極は、コイルＬｃを通過すると、今度はコイルＬｂを通過する。かかる場面では、図６で示すように接点Ｘ２での電位が変動するため、信号ラインＬ２から動作信号Ｓｇ２が出力される（図１０ｂ参照）。そして、この動作信号Ｓｇ２は、動作信号１と同様、増幅回路４２２によって矩形波Ｓｐ２へと変換される（図１０ｄ参照）。

ここで、ハンドルが右方向へ操作される場合、回転子３１２の磁極は「コイルＬｃ→コイルＬｂ」の順序で移動するため、動作信号Ｓｇ１が先に現われ、その後、動作信号Ｓｇ２が現われる。このため、フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦでは、矩形波Ｓｐ１が先に信号入力端子Ｄへ入力され、その後、矩形波Ｓｐ２がクロック入力端子ＣＬＫへ入力される。このため、フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦから出力される方向信号Ｓｒは、矩形波Ｓｐ２が入力された時点の矩形波Ｓｇ１の状態を示し、Ｈｉｇｈ状態の信号を出力することとなる（図１０ｅ参照）。

これとは反対に、図１１にはハンドルが左方向へ操作される際のロータの動作が示されている。先ず、図１１（ａ）に示す如く、回転子３１２の磁極がコイルＬａを通過すると、図６で示すように接点Ｘ２での電位が変動し（図１２ｂ参照）、この場合には、信号ラインＬ２から動作信号Ｓｇ２が先に出力されることとなる。この動作信号Ｓｇ２は、増幅回路４２２によって矩形波Ｓｐ２へと変換される（図１２ｄ参照）。

回転子３１２の磁極は、コイルＬａを通過すると、今度はコイルＬｂを通過する。かかる場面では、図６で示すように接点Ｘ１での電位が変動するため、信号ラインＬ１から動作信号Ｓｇ１が出力される（図１２ａ参照）。そして、この動作信号Ｓｇ１は、動作信号Ｓｇ２と同様、増幅回路４１５によって矩形波Ｓｐ１へと変換される（図１２ｃ参照）。

ここで、ハンドルが左方向へ操作される場合、回転子３１２の磁極は「コイルＬａ→コイルＬｂ」の順序で移動するため、先とは逆に、動作信号Ｓｇ２が先に現われ、その後、動作信号Ｓｇ１が現われる。このため、フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦでは、矩形波Ｓｐ２がクロック入力端子ＣＬＫへ入力された後、矩形波Ｓｐ１が信号入力端子Ｄへ入力される。このため、フリップフロップ素子Ｄ−ＦＦから出力される方向信号Ｔｒは、矩形波Ｓｐ２が入力された時点の矩形波Ｓｇ１の状態を示すところ、Ｌｏｗ状態の信号を出力することとなる（図１２ｅ参照）。

即ち、本実施の形態に係る方向信号Ｔｒは、Ｈｉｇｈ状態とされる場合に右操作を示し、Ｌｏｗ状態とされる場合に左操作を示すこととなる。

方向信号Ｔｒは、トルク信号Ｓｔと同様に、モータユニット１００の演算回路に入力される。当該演算回路では、方向信号ＴｒがＨｉｇｈ状態であるかＬｏｗ状態であるかに基づいて、操作方向を認識する。そして、演算回路は、トルク信号Ｓｔから設定されたデューティー比に操作方向の情報を付与し、之をモータ駆動用トランジスタの駆動信号として出力する。

上述の如く、本実施の形態に係るトルクセンサＴＳによると、発電作用によってハンドル操作を示す動作信号Ｓｇ１，Ｓｇ２が生成されるので、トルクセンサＴＳを構成する発電機での消費電力は一切不要となる（所謂無効信号が不要となる）。このため、電動式パワーステアリング装置では、トルクセンサＴＳから出力される信号をセンシングするための電力が格段に低減される。

また、かかるトルクセンサＴＳによると、ハンドル操作を行っていない場面では固定子内部のコイルに電流が発生しないので、電動式パワーステアリングへ組込む発電機を一個としても、当該トルクセンサＴＳに起因する不要なトルクが発生せず、自動車の直進走行時の操作性能が向上する。そして、電動式パワーステアリング装置では、かかる如くトルクセンサＴＳが一個とされるので、装置構成の簡素化が図られ、また、これによるコストの低廉化も図られる。

更に、本実施の形態に係るトルクセンサでは、上述した効果に加え、先行技術文献で紹介したモータ式トルクセンサと同等の効果も奏することとなる。

即ち、本実施の形態に係るトルクセンサＴＳは、捩れ角の検出が不要となるため、センサ構造及びセンサが装着される被検出体の構造が簡素化される。即ち、トーションバーの取付け構造といった複雑な機構が不要となる。

また、同トルクセンサＴＳでは、発電機の動作のみによってハンドル操作の状態（操作方向、操作トルク）を検出できるので、ハンドル側の操作機構とタイヤ側の操舵機構とを機械的に独立させた電動式パワーステアリング装置に用いることができる。このため、本実施の形態に係る電動式パワーステアリングによると、操縦者が操作を行なう機構とタイヤ側の操舵機構とを機械に独立させたステアリングシャフトを用いれば、ステアバイワイヤー化された装置構成が可能となる。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記された技術的思想の範囲内において、種々の変更が可能である。具体的に説明すると、本実施の形態に係る信号処理回路４００は、トルク信号生成回路４１０と回転方向生成回路４２０との双方の回路から構成されているが、これらの回路のうち何れか一方を排除させても良い。

例えば、信号処理回路は、トルク信号生成回路４１０のみによって構成されると、方向信号Ｓｒの生成は行われないが、トルク信号Ｓｔの生成は行なわれる。同様に、他の信号処理回路にあっては、方向信号生成回路４２０のみによって構成されると、トルク信号Ｓｔの生成は行われないが、方向信号Ｓｒの生成は行なわれる。これらの場合、他のセンサ部及び回路構成を流用することができれば、不足な信号（トルク信号または方向信号）を補完させることが可能となる。

また、信号処理回路４００では、本実施の形態にあっては動作信号の大きさ（電圧値Ｖｋ又は電流値）に基づいてトルク信号を生成しているが、これに限らず、動作信号の周波数に基づいてトルク信号を生成させても良い。かかる動作信号の周波数は、回転子３１２の角速度を示すところ、操縦者から加えられた操作トルクを示すこととなるからである。

更に、発電機３１０について、本実施の形態では３相発電機としているが、これに限らず、他の複数相の発電機としても良い。また、固定子３１１に設けられるコイルの数についても、３相発電機の場合、６箇所又は９箇所，１２箇所といったように、相数の倍数としても良い。加えて、回転子の極数についても適宜増やして良い。

１００ 電動式パワーステアリング装置
ＴＳ パワーステアリング用トルクセンサ
３１０ 発電機
３１１ 回転子
３１２ 固定子
３１３ 固定子側回路
Ｌ１，Ｌ２ 信号伝達手段
４００ 信号処理回路
４２３ フリップフロップ回路

Claims (10)

1. ハンドル操作に応じて回動する回転子と、コイルを形成させるワイヤ線及び前記コイルに対応して並列接続された抵抗から成る並列回路が構成された固定子側回路と、前記コイルを配置させ且つ前記回転子との組合せにより発電機が構成される固定子と、を備え、
   前記固定子側回路は、電源を伴わずに、前記ハンドル操作に応じて動作信号を発生させるものであって、
   前記発電機は、アシストトルクを発生させるモータとは異なる構成として設けられている、ことを特徴とするパワーステアリング用トルクセンサ。
2. ハンドル操作に応じて回動する回転子と、コイルを形成させるワイヤ線及び前記コイルに対応して並列接続された抵抗から成る少なくとも３個以上の並列回路が構成された固定子側回路と、前記コイルの各々を配置させ且つ前記回転子との組合せにより発電機が構成される固定子と、を備え、
   前記固定子側回路は、電源を伴わずに、前記ハンドル操作に応じて位相の異なる複数の動作信号を発生させるものであって、
   前記発電機は、アシストトルクを発生させるモータとは異なる構成として設けられている、ことを特徴とするパワーステアリング用トルクセンサ。
3. 前記固定子側回路は、信号伝達手段との接点から前記動作信号を出力させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーステアリング用トルクセンサ。
4. 更に、前記ハンドル操作時の操作トルクを示すトルク信号を出力する信号処理回路が設けられ、
   前記トルク信号は、前記動作信号の大きさに基づいて生成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のパワーステアリング用トルクセンサ。
5. 更に、前記ハンドル操作時の操作トルクを示すトルク信号を出力する信号処理回路が設けられ、
   前記トルク信号は、前記動作信号の周波数に基づいて生成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のパワーステアリング用トルクセンサ。
6. 更に、前記ハンドル操作時の操作方向を示す方向信号を出力する信号処理回路が設けられ、
   前記方向信号は、前記複数の動作信号の位相に基づいて生成されることを特徴とする請求項２に記載のパワーステアリング用トルクセンサ。
7. 更に、前記ハンドル操作時の操作トルクを示すトルク信号及び操作方向を示す方向信号を出力する信号処理回路が設けられ、
   前記トルク信号は、前記複数の動作信号のうち少なくとも何れか一つ以上の動作信号の大きさに基づいて生成され、
   前記方向信号は、前記複数の動作信号の位相に基づいて生成されることを特徴とする請求項２に記載のパワーステアリング用トルクセンサ。
8. 更に、前記ハンドル操作時の操作トルクを示すトルク信号及び操作方向を示す方向信号を出力する信号処理回路が設けられ、
   前記トルク信号は、前記複数の動作信号のうち少なくとも何れか一つ以上の動作信号の周波数に基づいて生成され、
   前記方向信号は、前記複数の動作信号の位相に基づいて生成されることを特徴とする請求項２に記載のパワーステアリング用トルクセンサ。
9. 前記信号処理回路は、前記方向信号を生成するフリップフロップ回路を具備することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のパワーステアリング用トルクセンサ。
10. 請求項１又は請求項２に記載のパワーステアリング用トルクセンサを備えることを特徴とする電動式パワーステアリング装置。

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