JP7110960B2 - トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、トルクセンサに関する。

特許文献１には、周方向に沿って異なる磁極が交互に配置された第１多極磁石及び第２多極磁石と、複数の磁気センサとを有するトルクセンサが記載されている。

特許文献２には、磁気センサにより検出したパルス位相差に基づいて、トルクを検出するトルク検出装置が記載されている。

特開２０１７－０４４６８３号公報 特公平８－１４５１５号公報

ところで、トルクの検出精度を高めるためには、周方向に磁極数を増やすことが望ましい。しかしながら、磁極数が多くなると、磁極の体積が相対的に小さくなる。このため、体積が小さい磁極の磁力線は、温度変化による磁気センサと磁石との距離の変化や、磁力自体の低下の影響を受けやすくなる。負荷トルクを受けて、第１多極磁石と第２多極磁石との間に実際に相対角度が生じていても、磁気センサがパルスを検出できなければ、トルクの値に誤差が生じてしまう可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、環境変化があっても安定して精度よくトルクを検出するトルクセンサを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、一態様に係るトルクセンサは、第１軸部と、前記第１軸部とは軸方向の異なる位置に設けられた第２軸部とを有するシャフトに加えられたトルクを検出するトルクセンサであって、前記第１軸部の回動に連動して回動し、前記シャフトの周方向に沿って異なる磁極が交互に配置された第１多極磁石を有する第１磁気スケールユニットと、前記第２軸部の回動に連動して回動し、前記第１多極磁石の磁極のピッチよりも小さい磁極のピッチであって、前記シャフトの周方向に沿って異なる磁極が交互に配置された第２多極磁石を有する第２磁気スケールユニットと、前記第１多極磁石の外周側に配置する第１磁気センサと、前記第２多極磁石の外周側に配置する第２磁気センサと、前記第１磁気センサの検出した第１信号のパルスの次に前記第２磁気センサの検出した第２信号の第１パルスと、前記第１信号のパルスとの間の第１の位相差を演算し、前記第２信号の第１パルスの次に前記第２磁気センサの検出した第２信号の第２パルスと、前記第１信号のパルスとの間の第２の位相差を演算し、前記第２信号の第１パルスから前記第２信号の第２パルスまでの基準期間に対する、前記第１の位相差の比である第１の位相差比を演算し、前記基準期間に対する、前記第２の位相差の比である第２の位相差比を演算し、前記第１の位相差比及び前記第２の位相差比のうち少なくとも１つに基づいて、前記シャフトに加えられたトルクを演算する演算部と、を備える。

これによれば、第１多極磁石の磁極ピッチよりも第２多極磁石の磁極ピッチが小さいので、トルクの検出精度が向上する。環境変化により第１の位相差比が影響を受けても、第２の位相差比に基づいてトルクを検出できる。その結果、トルクセンサは、環境変化があっても安定してより精度よくトルクを検出することができる。

トルクセンサの望ましい態様として、前記第１の位相差比に応じた第１トルクと、前記第２の位相差比に応じた第２トルクとの平均値を前記シャフトに加えられたトルクとする。

これにより、第１トルクと第２トルクとの平均に基づいてトルクを検出しているので、第１の位相差比に含まれる環境変化による影響が緩和される。その結果、トルクセンサは、環境変化があっても安定してより精度よくトルクを検出することができる。

トルクセンサの望ましい態様として、前記第１の位相差比に応じた第１トルクを前記シャフトに加えられたトルクとする。

これにより、検出精度の高い第１トルクをシャフトに加えられたトルクとすることができる。

トルクセンサの望ましい態様として、前記第１トルクが使用できない場合、前記第２の位相差比に応じた第２トルクを前記シャフトに加えられたトルクとする。

これにより、機能継続ができ、トルクセンサは、安定してトルク検出することができる。

本発明によれば、環境変化があっても安定して精度よくトルクを検出するトルクセンサを提供することができる。

図１は、実施形態１に係る相対角度検出装置を模式的に示した断面図である。 図２は、実施形態１に係るトルクセンサの模式図である。 図３は、実施形態１に係るトルクセンサの機能ブロックを示す模式図である。 図４Ａは、負荷トルクがない場合における、第１磁気センサの出力及び第２磁気センサの出力を説明する説明図である。 図４Ｂは、負荷トルクがある場合における、第１磁気センサの出力及び第２磁気センサの出力を説明する説明図である。 図５は、実施形態１に係る位相差比を説明するための模式的な説明図である。 図６Ａは、実施形態１に係る位相差比を分類するための治具を説明するための説明図である。 図６Ｂは、実施形態１において、第１分類として分類された第１の位相差比と時間との関係を説明する説明図である。 図６Ｃは、実施形態１において、第２分類として分類された第２の位相差比と時間との関係を説明する説明図である。 図７は、実施形態１において、予め記憶された第１の位相差比に対する第１トルクの情報を説明するための模式的な説明図である。 図８は、実施形態１において、予め記憶された第２の位相差比に対する第２トルクの情報説明する説明図である。 図９は、実施形態１において、トルクを算出するフローチャートである。 図１０は、実施形態２において、トルクを算出するフローチャートである。 図１１は、実施形態２において、第１の位相差比の一部の情報が欠落した例を説明する説明図である。 図１２は、実施形態３において、トルクセンサがディファレンシャルギアに接続されたシャフトのトルクを検出する例を模式的に説明する断面図である。

以下、発明を実施するための形態（以下、実施形態という）につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る相対角度検出装置を模式的に示した断面図である。図１の断面は、シャフト５の中心軸Ａｘが通る断面の相対角度検出装置１０を示している。以下の説明において、軸方向とは、中心軸Ａｘと平行な方向をいう。周方向とは、中心軸Ａｘを中心とした同心円において、同心円に沿う方向である。ラジアル方向とは、中心軸Ａｘに直交する平面において、中心軸Ａｘから離れる方向である。

シャフト５は、トーションバー部５３と、トーションバー部５３を挟んで軸方向の異なる位置に設けられた第１軸部５１と、第２軸部５２とを有している。言い換えると、シャフト５の中心軸Ａｘに沿って、第１軸部５１、トーションバー部５３、第２軸部５２が順に並んでいる。

なお、本実施形態において、トーションバー部５３と、第１軸部５１と、第２軸部５２とが一体であるが、トーションバー部５３と、第１軸部５１と、第２軸部５２とがそれぞれ別部材で構成されていてもよい。

シャフト５は、中空のハウジング６に挿入されている。軸受４０は、内輪４１と、外輪４２と、転動体４３を有している。内輪４１の内周面は、シャフト５の第１軸部５１の外周に固定されている。外輪４２の外周面は、ハウジング６の内壁に固定されている。

トーションバー部５３の外周に設けられた溝５Ｎにより、トーションバー部５３の外径は、第１軸部５１の外径及び第２軸部５２の外径よりも小さい。これにより、シャフト５の中心軸Ａｘ周りに回転の力が加えられると、トーションバー部５３で捻れ、第１軸部５１と第２軸部５２とには、シャフト５の中心軸Ａｘ周りに相対的な角度差が生じる。相対角度検出装置１０は、シャフト５の中心軸Ａｘ周りの第１軸部５１の角度と、シャフト５の中心軸Ａｘ周りの第２軸部５２の角度とを検出する。

相対角度検出装置１０は、第１多極磁石３１と、第２多極磁石３２と、第１磁気センサ１１と、第２磁気センサ２１とを含む。

外輪４２の内周には、センサハウジング４４が固定されている。センサハウジング４４は、センサ基板４５を支持する。センサ基板４５には、第１磁気センサ１１及び第２磁気センサ２１が電気的に接続されている。

内輪４１の内周には、第１磁気スケールユニット３Ａが固定されている。第１磁気スケールユニット３Ａは、第１円筒部３３と、第１円筒部３３の外周に設けられた第１多極磁石３１とを有する。第１円筒部３３は、金属材料で形成される。例えば、第１円筒部３３は、材料がＳＰＣＣ（Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅ Ｃｏｌｄ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ）であるがこれに限定されない。第１円筒部３３は、小径部と、大径部とを有し、第１円筒部３３の大径部の外周側に第１多極磁石３１が固定されている。第１円筒部３３の小径部の外周側が、内輪４１の内周と固定されている。

第２軸部の外周には、第２磁気スケールユニット３Ｂが固定されている。第２磁気スケールユニット３Ｂは、第２円筒部３４と、第２円筒部３４の外周に設けられた第２多極磁石３２とを有する。第２円筒部３４は、金属材料で形成される。例えば、第２円筒部３４の材料がＳＰＣＣ（Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅ Ｃｏｌｄ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ）であるがこれに限定されない。第２円筒部３４は、小径部と、大径部とを有し、第２円筒部３４の大径部の外周側に第２多極磁石３２が固定されている。第１円筒部３３の小径部の内周側が、第２軸部５２の外周と固定されている。

図２は、実施形態１に係るトルクセンサの模式図である。図３は、実施形態１に係るトルクセンサの機能ブロックを示す模式図である。図４Ａは、負荷トルクがない場合における、第１磁気センサの出力及び第２磁気センサの出力を説明する説明図である。図４Ｂは、負荷トルクがある場合における、第１磁気センサの出力及び第２磁気センサの出力を説明する説明図である。

図２に示すように、第１多極磁石３１及び第２多極磁石３２は、交互に配置されたＳ極及びＮ極を外周面に有するリング形状の磁石である。第１多極磁石３１及び第２多極磁石３２は、交互に配置されたＳ極及びＮ極を外周面に有する。第１多極磁石３１の磁極数は、例えば、２０であり、第２多極磁石３２の磁極数は、例えば、４０であるがこれに限定されない。第１多極磁石３１及び第２多極磁石３２には、必要な磁束密度に応じて、例えば、ネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石等が用いられる。

図２に示すように、第１多極磁石３１におけるＳ極及びＮ極のピッチは、第２多極磁石３２におけるＳ極及びＮ極のピッチとよりも大きい。言い換えると、第１多極磁石３１のＮ極とＳ極との境界間の距離は、第２多極磁石３２のＮ極とＳ極との境界間の距離よりも大きい。

本実施形態では、第２多極磁石３２の磁極数は、第１多極磁石３１の磁極数の２倍である。第２多極磁石３２の磁極数は、第１多極磁石３１の磁極数よりも多ければよく、例えば、第２多極磁石３２の磁極数は、第１多極磁石３１の磁極数の３倍であってもよい。言い換えると、第２多極磁石３２の磁極ピッチは、第１多極磁石３１の磁極ピッチよりも小さい。なお、いわゆる磁極対の数は、磁極数の半分になる。

第１磁気センサ１１及び第２磁気センサ２１は、ホール素子と信号処理回路と内蔵する回転角度センサである。なお、第１磁気センサ１１及び第２磁気センサ２１は、例えば、磁気抵抗効果（ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ））センサなどの磁気センサ素子でもよい。磁気抵抗効果センサとしては、ＡＭＲ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）センサ、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）センサなどを用いることができる。

図２に示すように、第１磁気センサ１１は、中心軸Ａｘを中心とする半径Ｒの第１円Ｃ１上に配置される。そして、第１磁気センサ１１は、第１多極磁石３１とラジアル方向に、磁気ギャップを介して対向している。

図２に示すように、第２磁気センサ２１は、中心軸Ａｘを中心とする半径Ｒの第２円Ｃ２上に配置される。第２磁気センサ２１は、第２多極磁石３２とラジアル方向に、磁気ギャップを介して対向している。

図２に示すように、第１磁気センサ１１及び第２磁気センサ２１は、上述したセンサ基板４５を介して、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０に電気的に接続されている。ＥＣＵ６０は、第１磁気センサ１１からの第１信号Ｐ１の情報及び第２磁気センサ２１からの第２信号Ｐ２の情報に基づいて、上述したシャフト５に加わるトルクを演算する演算部である。

第１磁気センサ１１からの第１信号Ｐ１の情報は、一定の期間Ｔ１０１、Ｔ１０２・・・において、第１多極磁石３１のＳ極及びＮ極からなる１磁極対を検出した場合に出力されるパルスの情報である。第１磁気センサ１１からの第１信号Ｐ１は、図４Ａ及び図４Ｂに示す電圧の立ち上がり矢印で示される。

第２磁気センサ２１からの第２信号Ｐ２の情報は、一定の期間Ｔ１、Ｔ２・・・において、第２多極磁石３２のＳ極及びＮ極からなる１磁極対を検出した場合に出力されるパルスの情報である。第２磁気センサ２１からの第２信号Ｐ２は、図４Ａ及び図４Ｂに示す電圧の立ち上がり矢印で示される。なお、本実施形態では、一定の期間Ｔ１、Ｔ２・・・のそれぞれを基準期間という。基準期間は、一定の期間Ｔ１０１、Ｔ１０２・・・のそれぞれの期間としてもよい。

第１信号Ｐ１及び第２信号Ｐ２に含まれるパルスは、上述した特許文献２に記載の方法で抽出できる。

図３に示すＥＣＵ６０は、マイクロコンピュータであり、例えば、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、内部記憶部と、入力インターフェースと、出力インターフェースと、を含んでいる。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び記憶部６４は、内部バスで接続されている。ＲＯＭには、ＢＩＯＳ等のプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、演算手段であり、ＲＡＭをワークエリアとして使用しながらＲＯＭや記憶部６４に記憶されているプログラムを実行することにより、図３に示す位相差演算部６１、トルク演算部６２、制御部６３を含む種々の機能を実現する。

あるいは、位相差演算部６１、トルク演算部６２、制御部６３は、それぞれ特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として構成され、ＥＣＵ６０は、これら特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）と、記憶部６４のメモリとにより、構成されていてもよい。

第１磁気センサ１１は、第１多極磁石３１の回転に応じた第１信号Ｐ１をＥＣＵ６０に伝達する。また、第２磁気センサ２１は、第２多極磁石３２の回転に応じた第２信号Ｐ２をＥＣＵ６０に伝達する。

後述するように、位相差演算部６１は、第１信号Ｐ１と第２信号Ｐ２とに基づいて、相対的な位相ずれの第１の位相差比ＲａｔｉｏＡと、位相ずれの第２の位相差比ＲａｔｉｏＢとを演算する。

後述するように、トルク演算部６２は、位相ずれの第１の位相差比ＲａｔｉｏＡと、位相ずれの第２の位相差比ＲａｔｉｏＢと、に基づいて、トルクＴを演算する。トルク演算部６２は、演算したトルクＴを制御部６３に出力する。制御部６３は、得られたトルクＴに基づいて、フィードバック制御を実行する。

図５は、実施形態１に係る位相差比を説明するための模式的な説明図である。図６Ａは、実施形態１に係る位相ずれの比を分類するための治具を説明するための説明図である。図６Ｂは、実施形態１において、第１分類として分類された第１の位相差比と時間との関係を説明する説明図である。図６Ｃは、実施形態１において、第２分類として分類された第２の位相差比と時間との関係を説明する説明図である。図７は、実施形態１において、予め記憶された第１の位相差比に対する第１トルクの情報を説明するための模式的な説明図である。図８は、実施形態１において、予め記憶された第２の位相差比に対する第２トルクの情報説明する説明図である。図９は、実施形態１において、トルクを算出するフローチャートである。以下、図９のフローチャートに沿って、図１から図８を参照しながら、詳細なトルクセンサ１００の動作について、説明する。

［負荷状態］
図３に示す位相差演算部６１には、図９に示すように、第１磁気センサ１１からの第１信号Ｐ１が入力され（ステップＳ１１）、第２磁気センサ２１からの第２信号Ｐ２が入力される（ステップＳ１２）。

ここで、上述したように、第１多極磁石３１が第１軸部５１の回動に連動して回動し、第２多極磁石３２が第２軸部５２の回動に連動して回動する。図４Ａに示すように、シャフト５に負荷トルクが加わっていない無負荷状態では、第１信号Ｐ１の第１パルスと、第２信号Ｐ２の第１パルスとは、同時に検出される。すなわち、第１軸部５１と第２軸部５２とは、ねじれておらず、第１多極磁石３１と第２多極磁石３２とには、位相差が生じていない。

これに対して、シャフト５に負荷トルクが加わると、第１軸部５１と、第２軸部５２との間で、回転差が生じる。これにより、図４Ｂに示すように、第１信号Ｐ１の第１パルスと、第２信号Ｐ２の第１パルスとには、位相差が生じる。

位相差演算部６１は、第１信号Ｐ１の第１パルスの後、１番目に検出される第２信号Ｐ２のパルスまでの時間を演算し、位相差ｔ１とする。位相差演算部６１は、第１信号Ｐ１の第１パルスの後、２番目に検出される第２信号Ｐ２のパルスまでの時間を演算し、位相差ｔ２とする。

位相差演算部６１は、第１信号Ｐ１の第２パルスの後、１番目に検出される第２信号Ｐ２のパルスまでの時間を演算し、位相差ｔ３とする。位相差演算部６１は、第１信号Ｐ１の第２パルスの後、２番目に検出される第２信号Ｐ２のパルスまでの時間を演算し、位相差ｔ４とする。位相差演算部６１は、同様に、位相差ｔ５から位相差ｔ１０を演算する。

次に、図８に示すように、位相差演算部６１は、期間Ｔ１に対する位相差ｔ１の比を位相差比Ｒ１として演算する（ステップＳ１３）。位相差演算部６１は、期間Ｔ２に対する位相差ｔ２の比を位相差比Ｒ２として演算する。位相差演算部６１は、同様に、位相差比Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、・・・を演算する。以上説明したように、位相差演算部６１は、位相差比の演算を処理する（ステップＳ１３）。

図６Ａに示すように記憶部６４に記憶された閾値ＴＨに基づいて、位相差比Ｒ１からＲ８は、位相差演算部６１により、例えば、閾値ＴＨ以下の第１の位相差比と、閾値ＴＨを超える第２の位相差比とに分類分けされる（ステップＳ１４）。位相差演算部６１は、図６Ｂに示すように、第１の位相差比ＲａｔｉｏＡと時間の情報を記憶部６４に記憶する。第１の位相差比ＲａｔｉｏＡは、第１の位相差比Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７として、以下説明する。位相差演算部６１は、図６Ｃに示すように、第２の位相差比ＲａｔｉｏＢと時間の情報を記憶部６４に記憶する。第２の位相差比ＲａｔｉｏＢは、第２の位相差比Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８として、以下説明する。

トルク演算部６２は、第１の位相差比Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７が０ではない場合（ステップＳ１５、Ｎｏ）、処理をステップＳ１６及びステップＳ１７へ進める。

トルク演算部６２は、図７に示すような記憶部６４に記憶された第１の位相差比に対する第１トルクの情報に、第１の位相差比Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７を与えて、各第１トルク（Ｔｏｒｑｕｅ Ａ）を演算する（ステップＳ１６）。第１の位相差比に対する第１トルクの情報は、ルックアップテーブル、又は第１の位相差比を変数とする第１トルクを求める関数式などである。

トルク演算部６２は、図８に示すような記憶部６４に記憶された第２の位相差比に対する第２トルクの情報に、第２の位相差比Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８を与えて、各第２トルク（Ｔｏｒｑｕｅ Ｂ）を演算する（ステップＳ１７）。第２の位相差比に対する第２トルクの情報は、ルックアップテーブル、又は第２の位相差比を変数とする第２トルクを求める関数式などである。

トルク演算部６２は、ステップＳ１６において求めた第１トルクと、ステップＳ１７において求めた第２トルクとの平均を演算する（ステップＳ１８）。

トルク演算部６２は、ステップＳ１８で求めた平均トルクをトルクＴとして、制御部６３へ出力する（ステップＳ５０）。

［無負荷状態］
上述した図４Ａに示すように、シャフト５に負荷トルクが加わっていない無負荷状態では、第１信号Ｐ１の第１パルスと、第２信号Ｐ２の第１パルスとは、同時に検出される。図３に示す位相差演算部６１には、図９に示すように、第１磁気センサ１１からの第１信号Ｐ１が入力され（ステップＳ１１）、第２磁気センサ２１からの第２信号Ｐ２が入力される（ステップＳ１２）。

位相差演算部６１は、第１信号Ｐ１の第１パルスの後、１番目に検出される第２信号Ｐ２のパルスまでの時間を演算し、位相差ｔ１とする。無負荷状態では、位相差ｔ１が期間Ｔ１になる。したがって、位相差ｔ１は、期間Ｔ１の１倍である。位相差演算部６１は、第１信号Ｐ１の第１パルスの後、２番目に検出される第２信号Ｐ２のパルスまでの時間を演算し、位相差ｔ２とする。無負荷状態では、位相差ｔ２が、期間Ｔ１と期間Ｔ２との和になる。期間Ｔ１は、期間Ｔ２と同じ時間を有する。したがって、位相差ｔ２は、期間Ｔ２の２倍である。

位相差演算部６１は、第１信号Ｐ１の第２パルスの後、１番目に検出される第２信号Ｐ２のパルスまでの時間を演算し、位相差ｔ３とする。無負荷状態では、位相差ｔ３が期間Ｔ３になる。したがって、位相差ｔ３は、期間Ｔ３の１倍である。位相差演算部６１は、第１信号Ｐ１の第２パルスの後、２番目に検出される第２信号Ｐ２のパルスまでの時間を演算し、位相差ｔ４とする。無負荷状態では、位相差ｔ４が、期間Ｔ３と期間Ｔ４との和になる。期間Ｔ３は、期間Ｔ４と同じ時間を有する。したがって、位相差ｔ４は、期間Ｔ４の２倍である。位相差演算部６１は、同様に、位相差ｔ５から位相差ｔ１０を演算する。

次に、位相差演算部６１は、期間Ｔ１に対する位相差ｔ１の比を位相差比Ｒ１として演算する（ステップＳ１３）。位相差ｔ１が期間Ｔ１の１倍であるので、期間Ｔ１に対する位相差ｔ１の比である位相差比Ｒ１は、１になる。位相差演算部６１は、期間Ｔ２に対する位相差ｔ２の比を位相差比Ｒ２として演算する。位相差ｔ２が期間Ｔ２の２倍であるので、期間Ｔ２に対する位相差ｔ２の比である位相差比Ｒ２は、２になる。位相差演算部６１は、同様に、位相差比Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、・・・を演算する。以上説明したように、位相差演算部６１は、位相差比の演算を処理する（ステップＳ１３）。

図６Ａに示すように記憶部６４に記憶された閾値ＴＨに基づいて、位相差比Ｒ１からＲ８は、位相差演算部６１により、例えば、閾値ＴＨ以下の第１の位相差比と、閾値ＴＨを超える第２の位相差比とに分類分けされる（ステップＳ１４）。位相差演算部６１は、図６Ｂに示すように、第１の位相差比Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７と時間の情報を記憶部６４に記憶する。位相差演算部６１は、図６Ｃに示すように、第２の位相差比Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８と時間の情報を記憶部６４に記憶する。

トルク演算部６２は、第１の位相差比Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７が１である場合（ステップＳ１５、Ｙｅｓ）、処理をステップＳ１９へ進める。なお、ステップＳ１９に代えて、トルク演算部６２は、第２の位相差比Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８が２である場合、処理をステップＳ１９へ進めるようにしてもよい。

トルク演算部６２は、トルクＴを０とする（ステップＳ１９）。次に、トルク演算部６２は、ステップＳ１９で求めたトルクＴを制御部６３へ出力する（ステップＳ５０）。

以上説明したように、トルクセンサ１００は、シャフト５に加えられたトルクＴを検出する。シャフト５は、第１軸部５１と、第１軸部５１とは軸方向の異なる位置に設けられた第２軸部５２とを有する。

トルクセンサ１００は、第１磁気スケールユニット３Ａと、第２磁気スケールユニット３Ｂと、第１磁気センサ１１と、第２磁気センサ２１と、演算部（コントロールユニット）であるＥＣＵ６０とを備えている。

第１磁気スケールユニット３Ａは、シャフト５と、第１軸部５１の回動に連動して回動し、シャフト５の周方向に沿って異なる磁極が交互に配置された第１多極磁石３１を有する。第２磁気スケールユニット３Ｂは、第２軸部５２の回動に連動して回動し、第１多極磁石３１の磁極のピッチよりも小さい磁極のピッチであって、シャフト５の周方向に沿って異なる磁極が交互に配置された第２多極磁石３２を有する。

第１磁気センサ１１は、第１多極磁石３１の外周側に配置されており、第２磁気センサ２１は、第２多極磁石３２の外周側に配置されている。

第２多極磁石３２は、第１多極磁石３１よりも周方向に磁極数が多い。このため、第２磁気センサ２１が検出する第２軸部５２の回動した角度の検出精度が高くなる。しかしながら、第２多極磁石３２の磁極数が多くなると、磁極の体積が相対的に小さくなる。体積が小さい磁極の磁力線は、温度変化による磁気センサと磁石との距離の変化や、磁力自体の低下の影響を受けやすくなる。このため、第２多極磁石３２を検出する第２磁気センサ２１の第２信号Ｐ２の信号強度が低下する可能性がある。

これに対して、実施形態１のトルクセンサ１００は、環境変化があっても安定して精度よくトルクＴを検出する。具体的には、ＥＣＵ６０は、第１磁気センサ１１の検出した第１信号Ｐ１のパルスの次に、第２磁気センサ２１の検出した第２信号Ｐ２の第１パルスと、第１信号Ｐ１のパルスとの間の第１の位相差ｔ１を演算する。また、ＥＣＵ６０は、第２信号Ｐ２の第１パルスの次に第２磁気センサ２１の検出した第２信号Ｐ２の第２パルスと、第１信号Ｐ１のパルスとの間の第２の位相差ｔ２を演算する。

ＥＣＵ６０は、第２信号Ｐ２の第１パルスから第２信号Ｐ２の第２パルスまでの基準期間（例えば、期間Ｔ１）に対する、第１の位相差ｔ１の比である第１の位相差比Ｒ１を演算する。また、ＥＣＵ６０は、第２信号Ｐ２の第１パルスから第２信号Ｐ２の第２パルスまでの基準期間（例えば、期間Ｔ１）に対する、第２の位相差ｔ２の比である第２の位相差比Ｒ２を演算する。

ＥＣＵ６０は、第１の位相差比Ｒ１及び第２の位相差比Ｒ２のうち少なくとも１つに基づいて、シャフト５に加えられたトルクＴを演算する。これによれば、第１多極磁石３１の磁極ピッチよりも第２多極磁石３２の磁極ピッチが小さいので、トルクＴの検出精度が向上する。第２の位相差ｔ２は、第１の位相差ｔ１よりも大きくなる。したがって、第２の位相差比Ｒ２は、第１の位相差比Ｒ１よりも大きくなる。このため、環境変化により第１の位相差比Ｒ１が影響を受けても、第２の位相差比Ｒ２に基づいてトルクＴを検出できる。その結果、トルクセンサ１００は、環境変化があっても安定してより精度よくトルクＴを検出することができる。

実施形態１のトルクセンサ１００は、第１の位相差比Ｒ１に応じた第１トルクと、第２の位相差比Ｒ２に応じた第２トルクとの平均値をシャフト５に加えられたトルクＴとする。

これにより、第１トルクと第２トルクとの平均に基づいてトルクＴを検出しているので、第１の位相差比Ｒ１に含まれる環境変化による影響が緩和される。その結果、トルクセンサは、環境変化があっても安定してより精度よくトルクＴを検出することができる。

なお、上述したように、第２の位相差比Ｒ２は、第１の位相差比Ｒ１よりも大きいので、第２の位相差比Ｒ２にのみ基づいて、トルクＴを検出するようにしても精度よくトルクＴを検出できる。

（実施形態２）
図１０は、実施形態２において、トルクを算出するフローチャートである。図１１は、実施形態２において、第１の位相差比の一部の情報が欠落した例を説明する説明図である。なお、上述した実施形態１で説明したものと同じ構成要素、及び処理ステップには同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施形態２において、無負荷状態の処理は、実施形態１と同じであるので、説明を省略する。実施形態２において、負荷状態の処理は、ステップＳ１７の処理まで同じ処理である。ステップＳ１７の処理の結果、図１１に示す第１の位相差比と、図６Ｃに示す第２の位相差比とが得られる。

実施形態２のステップＳ１６の処理において、図１１に示すように、第１の位相差比Ｒ１、Ｒ３、Ｒ７からは、第１トルクの情報を演算できる。しかしながら、第１の位相差比Ｒ５の情報が欠落し、第１の位相差比Ｒ５から第１トルクの情報を得ることができない場合について、以下説明する。

第１の位相差比Ｒ１、Ｒ３、Ｒ７からは、ステップＳ１６の第１トルクの情報が得られる。そこで、第１トルクの情報が使用できる（ＯＫの）場合（ステップＳ２１、Ｙｅｓ）、第１トルクをトルクＴとする（ステップＳ２２）。

トルク演算部６２は、ステップＳ２１で求めたトルクＴを制御部６３へ出力する（ステップＳ５０）。なお、第１の位相差比Ｒ７からステップＳ１６の第１トルクの情報が得られる場合も、トルク演算部６２は、同様に処理する。

トルク演算部６２は、図１１に示すように、第１の位相差比Ｒ１、Ｒ３、Ｒ７の入力があるが、第１の位相差比Ｒ３と、第１の位相差比Ｒ７との間に、本来あるべき第１の位相差比Ｒ５がない場合、第１の位相差比Ｒ５から求められる第１トルクの情報が得られない。そこで、第１トルクの情報が使用できない場合（ステップＳ２１、Ｎｏ）、図６Ｃに示す第２の位相差比Ｒ６から求めた第２トルクをトルクＴとする（ステップＳ２３）。

トルク演算部６２は、ステップＳ２３で求めたトルクＴを制御部６３へ出力する（ステップＳ５０）。

以上説明したように、第２実施形態のトルクセンサ１００は、第１の位相差比Ｒ１、Ｒ３、Ｒ７に応じた第１トルクをシャフト５に加えられたトルクＴとする。これにより、検出精度の高い第１トルクをシャフト５に加えられたトルクＴとすることができる。

また、第２実施形態のトルクセンサ１００は、第１の位相差比Ｒ５に応じた第１トルクが使用できない場合、第２の位相差比Ｒ６に応じた第２トルクをシャフト５に加えられたトルクとする。これにより、機能継続ができ、トルクセンサ１００は、安定してトルクＴを検出することができる。

（実施形態３）
図１２は、実施形態３において、トルクセンサがディファレンシャルギアに接続されたシャフトのトルクを検出する例を模式的に説明する断面図である。なお、上述した実施形態１で説明したものと同じ構成要素、及び処理ステップには同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施形態３において、シャフト５は、第１軸部５１と、第１軸部５１とは軸方向の異なる位置に設けられた第２軸部５２とを有している。言い換えると、シャフト５の中心軸Ａｘに沿って、第１軸部５１、第２軸部５２が順に並んでいる。

第１軸部５１の直径は、第２軸部５２の直径よりも小さい。これにより、シャフト５の中心軸Ａｘ周りに回転の力が加えられると、第１軸部５１と第２軸部５２とには、シャフト５の中心軸Ａｘ周りに相対的な角度差が生じる。相対角度検出装置１０は、シャフト５の中心軸Ａｘ周りの第１軸部５１の角度と、シャフト５の中心軸Ａｘ周りの第２軸部５２の角度とを検出する。

軸受４０Ａは、上述した軸受４０と同じ構成を有している。軸受４０Ａの内輪の内周面は、第１円筒部３３Ａを介して、シャフト５の第１軸部５１の外周に固定されている。

軸受４０Ａの内周には、第１磁気スケールユニット３Ａが固定されている。第１磁気スケールユニット３Ａは、第１円筒部３３Ａと、第１円筒部３３Ａの外周に設けられた第１多極磁石３１とを有する。

軸受４０Ａの外輪の外周面は、センサハウジング４４Ａを介して、ハウジング６Ａの内壁に固定されている。センサハウジング４４Ａは、第１磁気センサ１１を支持する。第１円筒部３３Ａは、第１円筒部３３と同じ構成であるので、説明を省略する。

軸受４０Ｂは、上述した軸受４０と同じ構成を有している。軸受４０Ｂの内輪の内周面は、第２円筒部３４Ａを介して、シャフト５の第２軸部５２の外周に固定されている。

軸受４０Ｂの内周には、第２磁気スケールユニット３Ｂが固定されている。第２磁気スケールユニット３Ｂは、第２円筒部３４Ａと、第２円筒部３４Ａの外周に設けられた第２多極磁石３２とを有する。

軸受４０Ｂの外輪の外周面は、センサハウジング４４Ｂを介して、ハウジング６Ａの内壁に固定されている。センサハウジング４４Ｂは、第２磁気センサ２１を支持する。第２円筒部３４Ａは、第２円筒部３４と同じ構成であるので、説明を省略する。

実施形態３のシャフト５は、ディファレンシャルギアＤＧに接続されている。

以上説明したように、トルクセンサ１０１は、シャフト５に加えられたトルクＴを検出する。シャフト５は、第１軸部５１と、第１軸部５１とは軸方向の異なる位置に設けられた第２軸部５２とを有する。

トルクセンサ１０１は、第１磁気スケールユニット３Ａと、第２磁気スケールユニット３Ｂと、第１磁気センサ１１と、第２磁気センサ２１と、図３に示すコントロールユニットであるＥＣＵ６０とを備えている。

図２と同様に、第１磁気スケールユニット３Ａは、シャフト５と、第１軸部５１の回動に連動して回動し、シャフト５の周方向に沿って異なる磁極が交互に配置された第１多極磁石３１を有する。第２磁気スケールユニット３Ｂは、第２軸部５２の回動に連動して回動し、第１多極磁石３１の磁極のピッチよりも小さい磁極のピッチであって、シャフト５の周方向に沿って異なる磁極が交互に配置された第２多極磁石３２を有する。

第１磁気センサ１１は、第１多極磁石３１の外周側に配置されており、第２磁気センサ２１は、第２多極磁石３２の外周側に配置されている。

ＥＣＵ６０は、実施形態１又は実施形態２と同様に、トルクＴを演算する。実施形態３によれば、トルクセンサ１０１は、実施形態１のトーションバー部５３がなくてもトルクＴを検出することができる。

以上説明したトルクセンサ１００又はトルクセンサ１０１は、第１磁気センサ１１、第１磁気センサ１２を備える。第１磁気センサ１１が複数あり、第１磁気センサ１２が複数ある構成でもよい。これによれば、複数の第１磁気センサ１１のいずれか１つが故障しても機能継続できる。あるいは、複数の第２磁気センサ２１のいずれかが故障しても機能継続できる。このように、トルクセンサ１００又はトルクセンサ１０１は、冗長化システムを構築してもよい。第１磁気センサは、２つでもよく、３以上であってもよい。第２磁気センサは、２つでもよく、３以上であってもよい。

３Ａ 第１磁気スケールユニット
３Ｂ 第２磁気スケールユニット
５ シャフト
６ ハウジング
１０ 相対角度検出装置
１１ 第１磁気センサ
２１ 第２磁気センサ
３１ 第１多極磁石
３２ 第２多極磁石
３３、３３Ａ 第１円筒部
３４、３４Ａ 第２円筒部
４０、４０Ａ、４０Ｂ 軸受
４１ 内輪
４２ 外輪
４３ 転動体
４４ センサハウジング
４５ センサ基板
５１ 第１軸部
５２ 第２軸部
５３ トーションバー部
６０ ＥＣＵ（演算部）
６１ 位相差演算部
６２ トルク演算部
６３ 制御部
６４ 記憶部
１００、１０１ トルクセンサ
ＤＧ ディファレンシャルギア
Ａｘ 中心軸

Claims (5)

1. 第１軸部と、前記第１軸部とは軸方向の異なる位置に設けられた第２軸部とを有するシャフトに加えられたトルクを検出するトルクセンサであって、
   前記第１軸部の回動に連動して回動し、前記シャフトの周方向に沿って異なる磁極が交互に配置された第１多極磁石を有する第１磁気スケールユニットと、
   前記第２軸部の回動に連動して回動し、前記第１多極磁石の磁極のピッチよりも小さい磁極のピッチであって、前記シャフトの周方向に沿って異なる磁極が交互に配置された第２多極磁石を有する第２磁気スケールユニットと、
   前記第１多極磁石の外周側に配置する第１磁気センサと、
   前記第２多極磁石の外周側に配置する第２磁気センサと、
   前記第１磁気センサの検出した第１信号のパルスの次に前記第２磁気センサの検出した第２信号の第１パルスと、前記第１信号のパルスとの間の第１の位相差を演算し、前記第２信号の第１パルスの次に前記第２磁気センサの検出した第２信号の第２パルスと、前記第１信号のパルスとの間の第２の位相差を演算し、前記第２信号の第１パルスから前記第２信号の第２パルスまでの基準期間に対する、前記第１の位相差の比である第１の位相差比を演算し、前記基準期間に対する、前記第２の位相差の比である第２の位相差比を演算し、前記第１の位相差比及び前記第２の位相差比のうち少なくとも１つに基づいて、前記シャフトに加えられたトルクを演算する演算部と、を備える
   トルクセンサ。
2. 前記第１の位相差比に応じた第１トルクと、前記第２の位相差比に応じた第２トルクとの平均値を前記シャフトに加えられたトルクとする、請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記第１の位相差比に応じた第１トルクを前記シャフトに加えられたトルクとする、請求項１に記載のトルクセンサ。
4. 前記第１トルクが使用できない場合、前記第２の位相差比に応じた第２トルクを前記シャフトに加えられたトルクとする、請求項３に記載のトルクセンサ。
5. 前記シャフトは、ディファレンシャルギアに接続されている請求項１から４のいずれか１項に記載のトルクセンサ。

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