JP5948100B2

JP5948100B2 - トルクセンサ

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Publication number: JP5948100B2
Application number: JP2012064139A
Authority: JP
Inventors: 亮太山田; 前原　秀雄; 秀雄前原
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2016-07-06
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Description

本発明は、トーションバーに作用するトルクを検出するトルクセンサに関するものである。

車両のステアリング装置に設けられるトルクセンサとして、ステアリングシャフトに作用する操舵トルクを磁力によって検出する非接触タイプのものが知られている。

特許文献１には、入力シャフトに固定される磁気発生部と、出力シャフトに固定される回転磁気回路部と、ハウジングに固定される固定磁気回路部と、固定磁気回路部に導かれる磁束密度を検出する磁気センサと、を備えるトルクセンサが開示されている。

入力シャフトと出力シャフトを連結するトーションバーにトルクが作用してトーションバーがねじれ変形すると、磁気発生部と回転磁気回路部との回転方向の相対位置が変化する。これに伴い磁気発生部から回転磁気回路部を通じて固定磁気回路部に導かれる磁束密度が変化する。磁気センサは磁束密度に応じた信号を出力する。トーションバーに作用するトルクは、磁気センサから出力された信号に基づいて検出される。

特開２００９−２４４２０５号公報

図１４を参照して、トーションバーのねじれ変形に伴う磁束の経路について説明する。回転磁気回路部と固定磁気回路部の間における磁束の経路は、図１４中直線の矢印にて示すように、磁気発生部の永久磁石９１のＮ極から回転磁気回路部の第１軟磁性リング９２、固定磁気回路部の第１集磁リング（図示省略）、第１集磁ヨーク９３、第２集磁ヨーク９４、第２集磁リング（図示省略）、回転磁気回路部の第２軟磁性リング９５を経由して永久磁石９１のＳ極に向かう経路である。磁気センサ９６は、第１集磁ヨーク９３と第２集磁ヨーク９４の間に配置される。

ここで、回転磁気回路部には、図１４中曲線の矢印にて示すように、第１軟磁性リング９２と第２軟磁性リング９５の間に漏れ磁束が存在する。装置の小型化を目的として磁気センサ９６を入出力シャフトに近づけると、磁気センサ９６が回転磁気回路部の漏れ磁束に曝され、漏れ磁束の影響を受けてしまうため、トルクセンサに検出誤差が発生する。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、トルクセンサの検出精度を高めることを目的とする。

本発明は、ハウジング内に回転自在に支持された第１シャフトと第２シャフトとを連結するトーションバーに作用するトルクを検出するトルクセンサであって、前記第１シャフトと共に回転する環状のリング磁石と、前記第２シャフトと共に回転する回転磁気回路部と、前記ハウジングに固定された固定磁気回路部と、前記トーションバーのねじれ変形に伴って前記リング磁石から前記回転磁気回路部を通じて前記固定磁気回路部に導かれる磁束密度を検出する２つの磁気検出器と、を備え、前記リング磁石には、ｎ個のＮ極とｎ個のＳ極が周方向に交互に着磁され、２つの前記磁気検出器は、前記リング磁石の周方向に３６０／２ｎ度の間隔を空けて配置され、２つの前記磁気検出器の出力値の平均値に基づいて前記トーションバーに作用するトルクを検出することによって、前記第１シャフトの回転角度に依存して変化する前記回転磁気回路部内の漏れ磁束に起因する前記磁気検出器の検出誤差が除去され、前記平均値が前記トーションバーのねじれ変形に伴う真の出力値と一致するように、前記トーションバーのねじれ変形の大きさに比例して大きくなる予め定められた補正係数に基づいて前記平均値を補正することによって、前記トーションバーのねじれ変形に比例して大きくなる前記回転磁気回路部内の漏れ磁束に起因する前記磁気検出器の検出誤差が除去されることを特徴とする。

本発明によれば、トーションバーに作用するトルクをリング磁石の周方向に３６０／２ｎ度の間隔を空けて配置された２つの磁気検出器の出力値の平均値に基づいて検出することによって、回転磁気回路部での漏れ磁束に起因する磁気検出器の検出誤差を除去することができる。よって、トルクセンサの検出精度を高めることができる。

本発明の実施形態に係るトルクセンサが適用される電動パワーステアリング装置の縦断面図である。リング磁石、回転磁気回路部、固定磁気回路部、第１磁気センサ、及び第２磁気センサの斜視図である。磁気発生部の底面図である。回転磁気回路部の斜視図である。第１磁気センサの出力特性図であり、トーションバーに作用する操舵トルクと第１磁気センサの出力電圧との関係を示す。第２磁気センサの出力特性図であり、トーションバーに作用する操舵トルクと第２磁気センサの出力電圧との関係を示す。磁束の経路を示す図であり、実線矢印が正規の磁束の経路を示し、点線矢印が漏れ磁束の経路を示す。漏れ磁束の影響による第１磁気センサの検出誤差を示すグラフ図である。漏れ磁束の影響による第２磁気センサの検出誤差を示すグラフ図である。第１磁気センサと第２磁気センサの位置関係を示す平面図である。演算回路を示すブロック図である。演算回路による平均化処理について説明するグラフ図である。演算回路による平均化処理について説明するグラフ図である。演算回路を示すブロック図である。正規の磁束の経路及び漏れ磁束の経路を示す図であり、直線の矢印が正規の磁束の経路を示し、曲線の矢印が漏れ磁束の経路を示す。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るトルクセンサ１００について説明する。

まず、図１を参照して、トルクセンサ１００が適用される電動パワーステアリング装置１について説明する。

電動パワーステアリング装置１は、ステアリングシャフト１０と出力シャフト１２とがステアリングホイールに連係して回転し、出力シャフト１２の下端に設けられたピニオンと噛合するラック軸を軸方向に移動させることで車輪を操舵するものである。

また、電動パワーステアリング装置１は、操舵トルクを補助的に付与するアシスト機構として、出力シャフト１２に連結されたウォームホイールと、ウォームホイールと噛合するウォームと、ウォームを回転駆動する電動モータと、を備える。電動パワーステアリング装置１は、電動モータによって出力シャフト１２に操舵補助トルクを付与する。

ステアリングシャフト１０は、第１シャフトとしての入力シャフト１１と、入力シャフト１１に連結されたトーションバー２１と、から構成されている。入力シャフト１１は、転がり軸受３７を介してハウジング３０に回転自在に支持される。第２シャフトとしての出力シャフト１２は、転がり軸受３８を介してハウジング４１に回転自在に支持される。入力シャフト１１の下端側と出力シャフト１２の上端側との間には、滑り軸受３９が介装される。入力シャフト１１と出力シャフト１２は、同一軸上で回転自在にハウジング３０，４１に支持される。

入力シャフト１１は円筒状に形成されており、入力シャフト１１の内部にはトーションバー２１が同軸に収められる。トーションバー２１の上端部は、ピン２８を介して入力シャフト１１の上端部に連結される。トーションバー２１の下端部は、入力シャフト１１の下端開口部より突出しており、セレーション２９を介して出力シャフト１２に連結される。トーションバー２１は、ステアリングホイールを介して入力シャフト１１に入力される操舵トルクを出力シャフト１２に伝達し、その操舵トルクに応じて回転軸Ｏを中心にねじれ変形する。

電動パワーステアリング装置１には、入力シャフト１１と出力シャフト１２とを連結するトーションバー２１に作用する操舵トルクを検出する非接触式のトルクセンサ１００が設けられる。以下では、トルクセンサ１００について説明する。

図１及び図２に示すように、トルクセンサ１００は、入力シャフト１１に固定され入力シャフト１１と共に回転する磁気発生部２２と、出力シャフト１２に固定され出力シャフト１２と共に回転する回転磁気回路部２５と、ハウジング３０に固定された固定磁気回路部３１と、トーションバー２１のねじれ変形に伴って磁気発生部２２から回転磁気回路部２５を通じて固定磁気回路部３１に導かれる磁束密度を検出する磁気検出器としての第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９と、を備える。トルクセンサ１００は、トーションバー２１に作用する操舵トルクを第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の出力に基づいて検出する。

上記構成に代え、磁気発生部２２を出力シャフト１２と共に回転するように出力シャフト１２に固定し、回転磁気回路部２５を入力シャフト１１と共に回転するように入力シャフト１１に固定するようにしてもよい。

図１及び図３に示すように、磁気発生部２２は、入力シャフト１１に圧入される環状のバックヨーク２４と、バックヨーク２４の下端面に結合される環状のリング磁石２３と、を備える。

リング磁石２３は、入力シャフト１１の回転軸Ｏ方向に磁気を発生する環状の永久磁石である。リング磁石２３は、回転軸Ｏ方向へ向けて硬磁性体を着磁することによって形成される多極磁石であり、周方向に等しい幅で形成される１２個の磁極を有する。つまり、リング磁石２３の上端面及び下端面には、６個のＮ極と６個のＳ極が周方向に交互に配設される。リング磁石２３の端面に形成される磁極数は、２個以上の範囲で任意に設定される。

バックヨーク２４は、その下端面にリング磁石２３の上端面である上部磁極面が接着剤を介して固定される。また、バックヨーク２４は軟磁性体によって形成されるため、リング磁石２３が及ぼす磁界によって磁化され、リング磁石２３に吸着する。このように、リング磁石２３とバックヨーク２４は、接着剤の接着力と磁力とによって結合される。バックヨーク２４は、リング磁石２３を入力シャフト１１に連結する連結部材としての機能と、リング磁石２３の隣り合う磁極を結んで磁束を導く継鉄としての機能とを有し、リング磁石２３の下端面である下部磁極面に磁力を集中させる。

図１，図２，及び図４に示すように、回転磁気回路部２５は、磁気発生部２２のリング磁石２３から発生する磁束が導かれる第１軟磁性リング２６及び第２軟磁性リング２７と、出力シャフト１２に取り付けられる取付部材７０と、取付部材７０に第１軟磁性リング２６及び第２軟磁性リング２７を固定するモールド樹脂７１と、を備える。

第１軟磁性リング２６は、環状の第１磁路環部２６Ｃと、第１磁路環部２６Ｃから下向きに突出する６個の第１磁路柱部２６Ｂと、各第１磁路柱部２６Ｂの下端からそれぞれ内向きに屈折してリング磁石２３の下端面に対峙する第１磁路先端部２６Ａと、からなる。第２軟磁性リング２７は、環状の第２磁路環部２７Ｃと、第２磁路環部２７Ｃから上向きに突出する６個の第２磁路柱部２７Ｂと、各第２磁路柱部２７Ｂの上端からそれぞれ内向きに屈折してリング磁石２３の下端面に対峙する第２磁路先端部２７Ａと、からなる。

第１軟磁性リング２６及び第２軟磁性リング２７は、それぞれプレス加工によって形成される。第１軟磁性リング２６及び第２軟磁性リング２７は、プレス加工に限らず、鋳造、焼結等によって形成してもよい。

第１磁路先端部２６Ａ及び第２磁路先端部２７Ａは平板状に形成される。第１磁路先端部２６Ａと第２磁路先端部２７Ａは、トーションバー２１の回転軸Ｏと直交する同一平面上に、回転軸Ｏを中心として周方向に交互に等間隔を空けて配置される。

また、第１磁路先端部２６Ａと第２磁路先端部２７Ａは、トーションバー２１にトルクが作用していない中立状態で、トーションバー２１の径方向に延びるそれぞれの中心線がリング磁石２３のＮ極とＳ極の境界を指すように配置される。

第１磁路柱部２６Ｂと第２磁路柱部２７Ｂは、それぞれ平板状に形成され、回転軸Ｏ方向に延設される。第１磁路柱部２６Ｂは、所定の間隙を空けてリング磁石２３の外周面を囲むように配置される。第１磁路柱部２６Ｂは、リング磁石２３の磁束を短絡しないように設けられる。また、第２磁路柱部２７Ｂは、回転軸Ｏに沿って第１磁路柱部２６Ｂと反対方向に延設される。

第１磁路環部２６Ｃ及び第２磁路環部２７Ｃは、回転軸Ｏと直交する平面上に配置され、全周がつながった環状に形成される。第１磁路環部２６Ｃ及び第２磁路環部２７Ｃは、この形状に限られず、部分的にスリットが形成されたＣ字形状であってもよい。

第１磁路環部２６Ｃはリング磁石２３の下端面より上方に配置され、第２磁路環部２７Ｃはリング磁石２３より下方に配置される。つまり、リング磁石２３は、回転軸Ｏ方向について第１磁路環部２６Ｃと第２磁路環部２７Ｃの間に配置される。

図１及び図２に示すように、固定磁気回路部３１は、第１軟磁性リング２６の第１磁路環部２６Ｃの外周に沿って設けられた第１集磁リング３２と、第２軟磁性リング２７の第２磁路環部２７Ｃの外周に沿って設けられた第２集磁リング３３と、第１集磁リング３２に接続された第１集磁ヨーク３４と、第２集磁リング３３に接続された第２集磁ヨーク３５と、を備える。

第１集磁リング３２及び第２集磁リング３３は、部分的にスリットが形成されたＣ字形状であり、ハウジング３０の内周面にかしめ固定される。第１集磁リング３２の内周面は第１軟磁性リング２６の第１磁路環部２６Ｃに対峙し、第２集磁リング３３の内周面は第２軟磁性リング２７の第２磁路環部２７Ｃに対峙する。

このように、第１集磁リング３２及び第２集磁リング３３は、回転磁気回路部２５の外周に配置され、回転磁気回路部２５の回転振れや偏心の影響を緩和して第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９側へ磁束を導く機能を有する。

第１集磁ヨーク３４は第１集磁リング３２の外周面に当接する円弧状の内周面３４ａを有するブロック状に形成され、第２集磁ヨーク３５は第２集磁リング３３の外周面に当接する円弧状の内周面３５ａを有するブロック形状に形成される。

第１集磁ヨーク３４には一対の集磁凸部３４ｂが回転軸Ｏ方向に延設され、第２集磁ヨーク３５にも一対の集磁凸部３５ｂが回転軸Ｏ方向に延設される。第１集磁ヨーク３４の一対の集磁凸部３４ｂと第２集磁ヨーク３５の一対の集磁凸部３５ｂは、所定の隙間である磁気ギャップをもって互いに対向する。つまり、第１集磁ヨーク３４と第２集磁ヨーク３５との間には、周方向に並ぶ一対の磁気ギャップが形成される。一対の磁気ギャップ内には、それぞれ第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９が設置される。

第１集磁ヨーク３４及び第２集磁ヨーク３５は、回転磁気回路部２５からの磁束を第１集磁リング３２及び第２集磁リング３３を介して第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９へ集める機能を有する。

第１集磁ヨーク３４、第２集磁ヨーク３５、第１磁気センサ４８、第２磁気センサ４９、及び基板４７は、モールド樹脂を介してセンサホルダ４０に固定される。樹脂製のセンサホルダ４０は、円筒部４０ａがハウジング３０の開口部３０ａに嵌挿されると共に、ボルトを介して金属製のハウジング３０に取り付けられる。

磁気を検出するための第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９にはホール素子が用いられる。ホール素子は、これを通過する磁束密度に応じた電圧を信号として出力するものである。第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９は、磁気ギャップの磁場の大きさ及び方向に応じた電圧を、基板４７及び端子４４を通じて出力する。端子４４は、センサホルダ４０に接続される配線を介して電動パワーステアリング装置１の駆動を制御するコントローラに接続される。

図５及び図６はそれぞれ第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の出力特性図であり、トーションバー２１に作用する操舵トルクと第１及び第２磁気センサ４８，４９の出力電圧との関係を示す。

図５に示すように、第１磁気センサ４８の出力電圧は、ステアリングホイールが操舵されておらずトーションバー２１に作用する操舵トルクが零の場合には、出力範囲の中間値である２．５Ｖである。また、ステアリングホイールが中立位置から右切り方向に操舵される場合には、操舵トルクの増大に応じて２．５Ｖから０Ｖに減少する一方、ステアリングホイールが中立位置から左切り方向に操舵される場合には、操舵トルクの増大に応じて２．５Ｖから５Ｖまで増大する。

図６に示すように、第２磁気センサ４９の出力電圧は、ステアリングホイールが操舵されておらずトーションバー２１に作用する操舵トルクが零の場合には、第１磁気センサ４８と同様に出力範囲の中間値である２．５Ｖである。また、ステアリングホイールが中立位置から右切り方向に操舵される場合には操舵トルクの増大に応じて２．５Ｖから５．０Ｖまで増大する一方、ステアリングホイールが中立位置から左切り方向に操舵される場合には操舵トルクの増大に応じて２．５Ｖから０Ｖまで減少する。

このように、第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９は、互いに逆特性となる出力特性を有し、トーションバー２１に作用する操舵トルクに対して互いに逆特性となる電圧値を出力する。このように、トルクセンサ１００に２つの磁気センサが設けられるのは、両者の出力電圧を比較することによってトルクセンサ１００の故障を診断するためである。

次に、トルクセンサ１００によるトーションバー２１に作用する操舵トルクの検出方法について説明する。

トーションバー２１にトルクが作用しない中立状態では、第１軟磁性リング２６の第１磁路先端部２６Ａと第２軟磁性リング２７の第２磁路先端部２７Ａとは、それぞれリング磁石２３のＮ極及びＳ極に同一の面積で対峙して両者を磁気短絡する。そのため、磁束は回転磁気回路部２５と固定磁気回路部３１に導かれない。

運転者によるステアリングホイールの操作によってトーションバー２１に特定の方向のトルクが作用した場合には、このトルクの方向に応じてトーションバー２１はねじれ変形する。トーションバー２１がねじれ変形すると、第１磁路先端部２６ＡがＳ極よりＮ極に大きな面積を持って対峙する一方、第２磁路先端部２７ＡがＮ極よりＳ極に大きな面積を持って対峙する。リング磁石２３からの磁束は回転磁気回路部２５を通じて固定磁気回路部３１に導かれる。具体的には、Ｎ極から第１軟磁性リング２６、第１集磁リング３２、第１集磁ヨーク３４、第２集磁ヨーク３５、第２集磁リング３３、第２軟磁性リング２７を経由してＳ極に向かう経路である。第１集磁ヨーク３４と第２集磁ヨーク３５の間の磁気ギャップに設置された第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９は、磁束の大きさ及び方向に応じた電圧値を出力する。

一方、運転者によるステアリングホイールの操作によってトーションバー２１に上記とは逆方向のトルクが作用した場合には、このトルクの方向に応じてトーションバー２１が逆方向にねじれ変形する。トーションバー２１がねじれ変形すると、第１磁路先端部２６ＡがＮ極よりＳ極に大きな面積を持って対峙する一方、第２磁路先端部２７ＡがＳ極よりＮ極に大きな面積を持って対峙する。リング磁石２３からの磁束は、回転磁気回路部２５を通じて固定磁気回路部３１に導かれるが、上記とは逆の経路となる。具体的には、Ｎ極から第２軟磁性リング２７、第２集磁リング３３、第２集磁ヨーク３５、第１集磁ヨーク３４、第１集磁リング３２、第１軟磁性リング２６を経由してＳ極に向かう経路である。第１集磁ヨーク３４と第２集磁ヨーク３５の間の磁気ギャップに設置された第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９は、磁束の大きさ及び方向に応じた電圧値を出力する。

第１磁路先端部２６Ａがリング磁石２３のＮ極とＳ極に対峙する面積差、及び第２磁路先端部２７Ａがリング磁石２３のＮ極とＳ極に対峙する面積差が大きいほど磁気ギャップに誘導される磁束が大きくなり、第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の出力電圧も増大する。したがって、リング磁石２３の磁極数を増やすことにより、第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９に導かれる磁束密度を高めることができる。

ここで、図７，図８，及び図１４を参照して、回転磁気回路部２５内の漏れ磁束について説明する。

図７は、トーションバー２１がねじれ変形して、第１軟磁性リング２６の第１磁路先端部２６ＡがＳ極よりＮ極に大きな面積を持って対峙し、第２軟磁性リング２７の第２磁路先端部２７ＡがＮ極よりＳ極に大きな面積を持って対峙した場合の磁束の経路を示す図であり、実線矢印が正規の磁束の経路を示し、点線矢印が漏れ磁束の経路を示す。

漏れ磁束は、第１軟磁性リング２６から第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９をバイパスして第２軟磁性リング２７へ導かれる。このように、正規の磁束の経路とは別に、回転磁気回路部２５内に、第１軟磁性リング２６と第２軟磁性リング２７を短絡する漏れ磁束の経路（図１４中曲線の矢印で示す経路）が存在する。漏れ磁束の経路は、リング磁石２３のＮ極から第１軟磁性リング２６及び第２軟磁性リング２７を通じてＳ極に向かうため、磁極の数の分だけ存在する。本実施形態では、リング磁石２３はＮ極とＳ極を６対有するため、第１軟磁性リング２６と第２軟磁性リング２７を短絡する磁束の経路は６つ存在することになる。

図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ漏れ磁束の影響による第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の検出誤差を示すグラフ図である。図８Ａ及び図８Ｂの横軸は入力シャフト１１の回転角度であり、縦軸は第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の出力電圧である。

図８Ａ及び図８Ｂは、トーションバー２１に作用する操舵トルクが一定となるように入力シャフト１１を１回転させた場合の第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の出力電圧を示すものである。トーションバー２１に作用する操舵トルクが一定であるため、本来なら第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の出力電圧は一定でなければならない。しかし、第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の出力電圧は、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、６０度周期で変化している。これは、第１軟磁性リング２６と第２軟磁性リング２７を短絡する漏れ磁束の経路が上述のように６つ存在し、その６つの漏れ磁束が入力シャフト１１の回転に伴って濃淡となって検出されたためである。このように、第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９は、入力シャフト１１の回転角度に依存する漏れ磁束の変化、つまりトーションバー２１のねじれ変形とは関係のない漏れ磁束の変化も検出してしまう。

第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９がトーションバー２１のねじれ変形とは関係のない漏れ磁束の変化（誤差成分）を捉えると、第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９はトーションバー２１のねじれ変形に伴う真の磁束密度にトーションバー２１のねじれ変形とは関係のない漏れ磁束の変化が重畳された磁束密度を検出することになり、トルクセンサ１００に検出誤差が発生する。トルクセンサ１００に検出誤差が発生すると、電動モータによって出力シャフト１２に付与される操舵補助トルクに誤差が生じてしまう。したがって、電動パワーステアリング装置１により精度の高い制御が求められる場合には、トーションバー２１のねじれ変形とは関係のない漏れ磁束の変化によるトルクセンサ１００の検出誤差は防止する必要がある。以下では、その対策について説明する。

入力シャフト１１の回転に伴う漏れ磁束に起因する第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の出力電圧の変化周期が１／２周期ずれるように、第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９はリング磁石２３の周方向に所定の間隔を空けて配置される。本実施形態では、リング磁石２３には、６個のＮ極と６個のＳ極が周方向に交互に着磁されているため、入力シャフト１１の回転に伴う漏れ磁束に起因する第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の出力電圧の変化周期は、図８Ａ及び図８Ｂに示すように６０度（＝３６０度／６）である。そのため、第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９は、図９に示すようにリング磁石２３の周方向に３０度の間隔を空けて配置される。

ここで、リング磁石２３にｎ個のＮ極とｎ個のＳ極が周方向に交互に着磁されている場合について考えると、入力シャフト１１の回転に伴う漏れ磁束に起因する第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の出力電圧の変化周期が１／２周期ずれるようにするためには、第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９は、リング磁石２３の周方向に３６０／２ｎ度の間隔を空けて配置される。

また、図１０に示すように、トルクセンサ１００の基板４７（図１参照）には、第２磁気センサ４９の出力電圧を反転させる反転増幅部５０と、反転増幅部５０の出力電圧と第１磁気センサ４８の出力電圧との平均出力電圧（平均値）を演算する平均化部５１と、を有する演算回路５２が設けられる。演算回路５２にて演算された平均出力電圧は電動パワーステアリング装置１のコントローラへ出力される。このように、トルクセンサ１００は、演算回路５２にて演算された第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の平均出力電圧に基づいてトーションバー２１に作用する操舵トルクを検出する。

図１１を参照して、演算回路５２による平均化処理について説明する。図１１の横軸は入力シャフト１１の回転角度であり、縦軸は出力電圧である。図１１中実線は第１磁気センサ４８の出力電圧、点線は第２磁気センサ４９の出力電圧を反転させた出力電圧、一点鎖線は平均出力電圧である。

図１１は、トーションバー２１に作用する操舵トルクが入力シャフト１１の回転角度に関係なく一定であり、トーションバー２１のねじれ変形に伴う真の出力電圧がαＶである場合について示す。

第１磁気センサ４８は入力シャフト１１の回転角度に依存する漏れ磁束の変化（６０度周期の変化）を検出するため、第１磁気センサ４８の出力電圧はαＶを中心に６０度周期で変化する。

第２磁気センサ４９は入力シャフト１１の回転角度に依存する漏れ磁束の変化（６０度周期の変化）を検出し、かつ第２磁気センサ４９の出力電圧は第１磁気センサ４８の出力電圧と同じになるように反転増幅部５０にて反転されるため、第２磁気センサ４９の出力電圧は第１磁気センサ４８の出力電圧と同様にαＶを中心に６０度周期で変化する。

一方、第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９はリング磁石２３の周方向に３０度の間隔を空けて配置されているため、第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の出力電圧の正弦波は１／２周期ずれている。

このように、第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の出力電圧は、αＶを中心に６０度周期で変化し、かつ１／２周期ずれている。したがって、平均化部５１にて演算された第１磁気センサ４８の出力電圧と第２磁気センサ４９の出力電圧との平均出力電圧は、図１１に一点鎖線で示すように、トーションバー２１のねじれ変形に伴う真の出力電圧であるαＶとなる。

以上のように、演算回路５２による平均化処理によって、入力シャフト１１の回転角度に依存する漏れ磁束の変化に起因する第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の検出誤差を除去することができ、トーションバー２１に作用する操舵トルクの検出精度が高まる。

ここで、平均化部５１にて演算された平均出力電圧は、トーションバー２１のねじれ変形が極小さい場合には、図１１に示すようにトーションバー２１のねじれ変形に伴う真の出力電圧（αＶ）と一致する。しかし、平均化部５１にて演算された平均出力電圧は、トーションバー２１のねじれ変形が大きくなると、図１２に示すようにトーションバー２１のねじれ変形に伴う真の出力電圧（αＶ）に対してオフセットする傾向を示す。このオフセット値Ｔは、トーションバー２１のねじれ変形に比例して大きくなる漏れ磁束成分の影響によるものである。そこで、平均化部５１にて演算された平均出力電圧を、真の出力電圧（αＶ）と一致するように、トーションバー２１のねじれ変形の大きさに比例して大きくなる予め定められた補正係数に基づいて補正するのが望ましい。

具体的には、図１３に示すように、演算回路５２における平均化部５１の後に増幅率調整部５３が設けられる。増幅率調整部５３では、平均化部５１にて演算された平均出力電圧にトーションバー２１のねじれ変形の大きさに比例して大きくなる予め定められた補正係数としてのゲイン値が乗算される。これにより、オフセット値Ｔが除去され、平均化部５１にて演算された平均出力電圧が真の出力電圧（αＶ）と一致する。演算回路５２にてオフセット値Ｔの除去を行う代わりに、第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９にてオフセット値Ｔの除去を行うようにしてもよい。つまり、第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９を、オフセット値Ｔが除去された電圧値が出力されるように構成してもよい。

次に、上記実施形態の変形例について説明する。

（１）上記実施形態では、第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の出力特性が、図５及び図６に示すように互いに逆特性である場合について例示した。これに代わり、第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の出力特性は同じ特性であってもよい。この場合には、演算回路５２において第２磁気センサ４９の出力電圧を反転させる必要がなく、第１磁気センサ４８の出力電圧と第２磁気センサ４９の出力電圧との平均出力電圧を演算するだけでよい。

（２）上記実施形態では、基板４７に演算回路５２を設け、第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の出力電圧をアナログ的に平均化処理する場合について説明した。しかし、これに代わり、第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の出力電圧を電動パワーステアリング装置１のコントローラに出力し、そのコントローラにてデジタル的に平均化処理するようにしてもよい。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

トーションバー２１に作用するトルクを、リング磁石の周方向に３６０／２ｎ度の間隔を空けて配置された第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の出力電圧の平均値に基づいて検出することによって、回転磁気回路部２５での漏れ磁束に起因する第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の検出誤差を除去することができる。よって、トルクセンサ１００の検出誤差を除去することができ、トーションバー２１に作用する操舵トルクの検出精度を高めることができる。

また、回転磁気回路部２５での漏れ磁束に起因する第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の検出誤差が除去されるため、第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９をリング磁石２３に近づけて配置することが可能となり、トルクセンサ１００を小型化することができる。

また、回転磁気回路部２５での漏れ磁束に起因する第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の検出誤差の除去は、トルクセンサ１００の故障診断のために設けられた２つの磁気センサを利用して行われる。よって、漏れ磁束の対策として新たな構造を付加する必要がないため、低コストで漏れ磁束の対策を行うことができる。

また、トルクセンサ１００は第１磁気センサ４８と第２磁気センサ４９の平均出力電圧に基づいてトーションバー２１に作用する操舵トルクを検出するため、第１磁気センサ４８及び第２磁気センサ４９の特性のばらつきが抑制され、操舵トルクの検出精度が向上する。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、ドライバーがハンドルに加える操舵力を補助する電動パワーステアリング装置に用いられるトルクセンサとして利用することができる。

１００トルクセンサ
１電動パワーステアリング装置
１１入力シャフト
１２出力シャフト
２１トーションバー
２２磁気発生部
２３リング磁石
２５回転磁気回路部
２６第一軟磁性リング
２７第二軟磁性リング
３０ハウジング
３１固定磁気回路部
４８第１磁気センサ（磁気検出器）
４９第２磁気センサ（磁気検出器）
５０反転増幅部
５１平均化部
５２演算回路
５３増幅率調整部

Claims

ハウジング内に回転自在に支持された第１シャフトと第２シャフトとを連結するトーションバーに作用するトルクを検出するトルクセンサであって、
前記第１シャフトと共に回転する環状のリング磁石と、
前記第２シャフトと共に回転する回転磁気回路部と、
前記ハウジングに固定された固定磁気回路部と、
前記トーションバーのねじれ変形に伴って前記リング磁石から前記回転磁気回路部を通じて前記固定磁気回路部に導かれる磁束密度を検出する２つの磁気検出器と、を備え、
前記リング磁石には、ｎ個のＮ極とｎ個のＳ極が周方向に交互に着磁され、
２つの前記磁気検出器は、前記リング磁石の周方向に３６０／２ｎ度の間隔を空けて配置され、
２つの前記磁気検出器の出力値の平均値に基づいて前記トーションバーに作用するトルクを検出することによって、前記第１シャフトの回転角度に依存して変化する前記回転磁気回路部内の漏れ磁束に起因する前記磁気検出器の検出誤差が除去され、
前記平均値が前記トーションバーのねじれ変形に伴う真の出力値と一致するように、前記トーションバーのねじれ変形の大きさに比例して大きくなる予め定められた補正係数に基づいて前記平均値を補正することによって、前記トーションバーのねじれ変形に比例して大きくなる前記回転磁気回路部内の漏れ磁束に起因する前記磁気検出器の検出誤差が除去されることを特徴とするトルクセンサ。
２つの前記磁気検出器は、互いに逆特性となる出力特性を有し、
前記トーションバーに作用するトルクは、２つの前記磁気検出器のうち一方の磁気検出器の出力値を反転した後、その反転した出力値と他方の磁気検出器の出力値との平均値に基づいて検出されることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
前記回転磁気回路部は、前記リング磁石から発生する磁束が導かれる第１軟磁性リング及び第２軟磁性リングを有し、前記第１軟磁性リング及び前記第２軟磁性リングは、軸方向に離間して配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のトルクセンサ。