JPH1038715A

JPH1038715A - トルクセンサ

Info

Publication number: JPH1038715A
Application number: JP8209401A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sato; 浩一佐藤; Toshiyuki Onizuka; 利行鬼塚; Kazuo Chikaraishi; 一穂力石
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1996-07-22
Filing date: 1996-07-22
Publication date: 1998-02-13
Anticipated expiration: 2016-07-22
Also published as: KR980012832A; DE19731433C2; JP3584624B2; DE19731433A1; US5811695A

Abstract

(57)【要約】【課題】高価な電子部品が多数必要であり、しかも消費
電流が非常に大きくて不経済であり、大消費電流に伴い
発熱量が大きい。【解決手段】コイル１０，１１と電気抵抗Ｒ₀とでブリ
ッジ回路を形成し、コイル１０，１１同士の接続部をコ
イル駆動部２０を介して電源Ｖ_DDに接続する。コイル駆
動部２０のトランジスタＴ_rのゲートに方形波状に変化
する制御電圧Ｖ₁を供給し、コイル１０，１１に供給さ
れる電圧Ｖ₂を方形波状に変化させる。コイル１０，１
１と各電気抵抗Ｒ₀との間の電圧である出力電圧Ｖ₃及
びＶ₄を差動アンプ２２に入力し、その出力電圧Ｖ₅を
サンプルホールド回路２３によってホールドし、出力電
圧Ｖ₀としてコントローラ２５に供給する。サンプルホ
ールド回路２３は、出力電圧Ｖ₃及びＶ₄が過渡期にあ
る場合の出力電圧Ｖ₅をホールドする。コントローラ２
５は出力電圧Ｖ₀に基づきトルクを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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
るトルクに応じてインピーダンスが変化するコイルを有
するトルクセンサにおいて、コスト削減や発熱量低減等
が図られ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、例えば特
公昭６３−４５５２８号公報に開示されたものがある。
即ち、この従来のトルクセンサにあっては、軸に発生す
るトルクに応じて相対的に回転するように二つの円筒体
が同軸に嵌め合わされるとともに、内側の円筒体の外周
面には軸方向に長い溝と歯とが交互に形成され、外側の
円筒体にはそれら円筒体間の相対回転に応じて溝との重
なり具合が変化するように切欠きが形成され、さらに外
側の円筒体を包囲するようにコイルが配設されている。
そして、二つの円筒体の相対回転位置が変化して溝の切
欠きとの重なり具合が変化すると、コイルのインピーダ
ンスが変化することから、そのコイルのインピーダンス
を測定することにより軸に発生するトルクを検出でき
る、というものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】確かに、上記従来のト
ルクセンサであれば、コイルのインピーダンス変化に基
づいて軸に発生するトルクを検出することは可能であ
る。しかし、上記公報に記載される従来のトルクセンサ
にあっては、コイルを駆動する電流が高周波の交流電流
であったため、高精度のトルクセンサとするためには正
確な正弦波状の交流電流を発振するための発振部が必要
である。すると、多数の電子部品が必要となってしま
い、しかも個々の電子部品自体に高い精度が要求される
から、コストが嵩むという問題点があった。

【０００４】また、正弦波状の交流電流でコイルを駆動
する構造であり、しかも実際には電流の向きは一定とす
るため（つまり片電源駆動とするため）にオフセット電
圧を加えてコイルを駆動するといったことから、消費電
流が非常に大きくて不経済であり、大消費電流に伴い発
熱量が大きい、という問題点もあった。

【０００５】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、コスト
削減や発熱量低減等を図ることができるトルクセンサを
提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るトルクセンサは、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変化するように窓
を形成し、前記円筒部材の前記窓が形成された部分を包
囲するようにコイルを配設し、前記コイルと直列に電気
抵抗を配設し、そして、前記コイルに方形波状に変化す
る電圧を供給した際に前記コイルと電気抵抗との間に発
生する過度電圧に基づいて、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。

【０００７】ここで、本発明における非磁性の材料と
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。

【０００８】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最終の電圧の
ことである。そして、本発明にあっては、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。

【０００９】なお、コイルと電気抵抗との間に発生する
過度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の消えてしまっても、トルク
を検出することが可能となる。

【００１０】また、上記構成に加えて、異常状態を監視
する異常監視部を設けることが望ましい。異常監視部と
しては、例えば過渡電圧を保持する他のサンプルホール
ド回路と、そのサンプルホールド回路の出力が適正な範
囲外の値となったか否かを判定する上下限判定器と、を
設け、上下限判定器が上記範囲外の値となったと判定し
た場合に、トルク検出のためのサンプルホールド回路の
出力を強制的に零にするような回路が考えられる。

【００１１】また、例えば他の異常監視部の形態として
は、上記上下判定器の出力をそのままコントローラに供
給し、コントローラにおいて異常の有無を判断するよう
な形態であってもよい。

【００１２】さらに、他の異常監視部の形態としては、
コイルと電気抵抗との間の過渡電圧の他に、それらコイ
ルと電気抵抗との間の定常時の電圧をホールドしてコン
トローラ側に供給し、コントローラが読み込んだ定常時
の電圧と適切な電圧との差から異常の有無を判断するよ
うな形態であってもよい。

【００１３】また、他の異常監視部の形態としては、コ
イルと電気抵抗との間の過渡電圧の他に、その過渡電圧
の前後の定常時の二つの電圧をホールドしてコントロー
ラ側に供給し、コントローラ側では、一つの過渡電圧
と、二つの定常時の電圧とに基づいて異常を判断するよ
うな形態であってもよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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２
ａ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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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，…，８
ａ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。

【００２１】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。

【００２２】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，…，８
ａ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。

【００２３】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８
ａ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。

【００２４】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。

【００２５】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、コイル１０及び
１１同士の接続部は、ＰＮＰ型のトランジスタＴ_rから
なるコイル駆動部２０を介して電源Ｖ_DDに接続され、電
気抵抗Ｒ₀同士の接続部は接地側に接続されている。な
お、コイル１０及び１１同士の接続部は、それらコイル
１０及び１１に逆向きの起電力が発生した場合にのみ電
流を許容するためのダイオード（いわゆるフライホイー
ルダイオード）２１を介して接地側にも接続されてい
る。

【００２６】コイル駆動部２０のトランジスタＴ_rのゲ
ートには、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が供給さ
れるようになっている。この制御電圧Ｖ₁は、図４
（ａ）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は、コイル駆動部２０のトランジスタＴ_rがＰ
ＮＰ型であるため、そのトランジスタＴ_rをオンとする
タイミングで論理値“１”から“０”に立ち下がり、ト
ランジスタＴ_rをオフとするタイミングで論理値“０”
から“１”に立ち上がる、いわゆる負論理の電圧となっ
ている。

【００２７】そして、コイル駆動部２０からコイル１
０，１１に供給される電圧Ｖ₂は、トランジスタＴ_rの
オン・オフに同期した図４（ｂ）に示すような方形波状
に変化する電圧となる。つまり、電圧Ｖ₂は制御電圧Ｖ
₁を反転した方形波となる。

【００２８】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。なお、差動アンプ２２には、コント
ローラ２５から供給される基準電圧Ｖ_Rを直列に接続さ
れた二つの電気抵抗Ｒ₁及びＲ₂で分圧することにより
生成される所定の中立電圧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、基準電圧Ｖ_Rを５Ｖとし、電気抵抗Ｒ₁及びＲ
₂を等しい電気抵抗値とすれば、Ｖ_r＝２．５Ｖとなる
から、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。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の立ち下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。

【００３１】なお、ホールド信号Ｖ_Sの立ち下がりタイ
ミング（つまり、ホールド信号Ｖ_Sとしてのパルス波の
幅）は、過度状態（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の立ち下がり時点
から、コイル１０，１１のインダクタンスと電気抵抗Ｒ
₀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。

【００３２】そして、コントローラ２５は、サンプルホ
ールド回路２３から供給される出力電圧Ｖ₀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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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３
Ｂ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。

【００４０】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。

【００４１】自発磁化が最大となる位相は、窓８ａ，８
ｂ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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】この状態で、コントローラ２５からコイル
駆動部２０に図４（ａ）に示すような制御電圧Ｖ₁が供
給され、それを反転した図４（ｂ）に示すような電圧Ｖ
₂がコイル１０及び１１に供給されると、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、その過度時の値も等しくなる。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を維持するから、図５（１）（ｃ）に示
すようなホールド信号Ｖ_Sが出力されても、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は中立電圧Ｖ_rのままである。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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Ｖ
₄よりも素早く立ち上がるため、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よりも素早く立ち上が
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。

【００４９】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Ｖ
₅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
度等による自己インダクタンスの変化も差動アンプ２２
においてキャンセルされる。

【００５０】すると、図５（２）（ｃ），（３）（ｃ）
に示すようなホールド信号Ｖ_Sが供給されて過渡期の出
力電圧Ｖ₅がホールドされると、右操舵トルク発生時に
は、図５（２）（ｄ）に示すように、中立電圧Ｖ_rより
も大きな出力電圧Ｖ₀が得られ、左操舵トルク発生時に
は、図５（３）（ｄ）に示すように、中立電圧よりも小
さい出力電圧Ｖ₀が得られる。

【００５１】そして、コントローラ２５は、供給される
出力電圧Ｖ₀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。

【００５２】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。

【００５３】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電圧Ｖ₂を供給
するような構成であっても、差動アンプ２２及びサンプ
ルホールド回路２３によって出力電圧Ｖ₃及びＶ₄の過
渡電圧の差をホールドし、出力電圧Ｖ₀としてコントロ
ーラ２５に供給する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。

【００５４】そして、コイル１０，１１を方形波状に変
化する電圧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電圧Ｖ₂が立ち上がってい
る間だけであるから、電圧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Ｖ₀であり、
そのためには出力電圧Ｖ₁を立ち下げた時点から時定数
τだけ経過するまで電圧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Ｔ_rをオンにすればよいから、
電圧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１０，１
１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。

【００５５】また、コントローラ２５でオン・オフ制御
される制御電圧Ｖ₁をトランジスタＴ_r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Ｖ₂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。

【００５６】ここで、本実施の形態では、入力軸２が第
２の回転軸に対応し、出力軸３が第１の回転軸に対応
し、凸部３Ｂが溝でない部分に対応し、出力軸３の円筒
部材８に包囲された部分が被包囲部に対応する。

【００５７】図６は本発明の第２の実施の形態における
モータ制御回路の構成を示す回路図である。なお、電動
パワーステアリング装置等の全体的な構成は上記第１の
実施の形態と同様であるため、その図示及び説明は省略
する。また、上記第１の実施の形態と同様の構成には同
じ符号を付し、その重複する説明は省略する。

【００５８】即ち、本実施の形態にあっては、差動アン
プ２２の前段側に二つのサンプルホールド回路２３Ａ，
２３Ｂを設け、サンプルホールド回路２３Ａに出力電圧
Ｖ₃を供給し、サンプルホールド回路２３Ｂに出力電圧
Ｖ₄を供給するようにしている。そして、それらサンプ
ルホールド回路２３Ａ，２３Ｂの出力電圧Ｖ₃'，Ｖ₄'を
差動アンプ２２に供給し、差動アンプ２２の出力がコン
トローラ２５に供給されるようになっている。

【００５９】このような構成であると、図７（１）〜
（３）の（ａ）に示すように、出力電圧Ｖ₃及びＶ₄の
差動増幅するよりも前に、過渡期にある出力電圧Ｖ₃及
びＶ₄がホールドされ、図７（１）〜（３）の（ｃ）に
示すように、それらホールドされた電圧Ｖ₃'，Ｖ₄'の差
が差動アンプ２２で増幅されて出力電圧Ｖ₀が得られる
ことになる。そして、サンプルホールド回路２３Ａ，２
３Ｂの方が前段側にある分、ホールド信号Ｖ_Sのタイミ
ングがずれてしまった場合の影響が少なくなる、という
利点がある。

【００６０】図８は本発明の第３の実施の形態における
モータ制御回路の構成を示す回路図である。なお、電動
パワーステアリング装置等の全体的な構成は上記第１の
実施の形態と同様であるため、その図示及び説明は省略
する。また、上記第１の実施の形態と同様の構成には同
じ符号を付し、その重複する説明は省略する。

【００６１】即ち、本実施の形態の構成は、異常監視部
３０を設けた点を除いては、上記第１の実施の形態と同
様の構成のモータ制御回路と同様である。そして、異常
監視部３０は、ブリッジ回路の一方の出力電圧Ｖ₃が供
給されるサンプルホールド回路３１と、このサンプルホ
ールド回路３１の出力が供給される上下限判定器３２
と、この上下限判定器３２の出力がゲートに供給される
ＮＰＮ型のトランジスタ３３とで構成されている。サン
プルホールド回路３１には、サンプルホールド回路２３
と同様にコントローラ２５からホールド信号Ｖ_Sが供給
されるようになっている。また、上下限判定器３２は例
えばウインドコンパレータ等から構成されていて、サン
プルホールド回路３１の出力である出力電圧Ｖ₃の瞬時
値が適正な範囲外にある場合に、トランジスタ３３をオ
ンとするような電圧をそのトランジスタ３３のゲートに
供給するようになっている。そして、トランジスタ３３
のエミッタは接地側に接続され、トランジスタ３３のコ
レクタは差動アンプ２２の中立電圧Ｖ_r供給側に接続さ
れている。

【００６２】このような構成であると、コイル１０及び
１１の両方が短絡又は断線するような異常が生じた場合
には、出力電圧Ｖ₃が零又はＶ_DD（例えば５Ｖ）にな
り、これがサンプルホールド回路３１でホールドされて
上下限判定器３２に供給されるから、上下限判定器３２
は出力電圧Ｖ₃が適正な範囲外にあると判断し、トラン
ジスタ３３をオンにする。すると、差動アンプ２２に供
給される中立電圧Ｖ_rが強制的に零になるから、差動ア
ンプ２２の出力電圧Ｖ₅は電圧Ｖ₃，Ｖ₄に関係なく零
となり、出力電圧Ｖ₀も零となる。この結果、適正な範
囲外にある出力電圧Ｖ₀に基づいて異常が発生したこと
を認識できるから、操舵補助トルクを発生させる制御を
停止することができ、異常発生時に不要な操舵補助トル
クが発生するようなことは防止される。

【００６３】また、コイル１０又は１１の一方が短絡又
は断線した場合には、出力電圧Ｖ₃及びＶ₄の差が極端
に大きくなる（例えば、コイル１０が短絡した場合には
出力電圧Ｖ₃はＶ_DDとなるし、コイル１０が断線した場
合には出力電圧Ｖ₃は零となる）から、差動アンプ２２
の出力電圧Ｖ₅が適正な範囲外の値となり、サンプルホ
ールド回路２３の出力電圧Ｖ₀も適正な範囲外の値とな
る。この結果、適正な範囲外にある出力電圧Ｖ₀に基づ
いて異常が発生したことを認識できるから、操舵補助ト
ルクを発生させる制御を停止することができ、異常発生
時に不要な操舵補助トルクが発生するようなことは防止
される。

【００６４】なお、コイル駆動部２０に異常が発生する
などしてコイル１０，１１に電流が流れない異常の場合
には、出力電圧Ｖ₃，Ｖ₄は共に零であるから、差動ア
ンプ２２の出力電圧Ｖ₅並びにサンプルホールド回路２
３の出力電圧Ｖ₀は中立電圧Ｖ_rとなり、コントローラ
２５は操舵トルクが零であると認識する。このため、か
かる異常時に操舵補助トルクが発生して、却って運転者
の負荷になってしまうようなことはない。

【００６５】このように、本実施の形態の構成であれ
ば、異常監視部３０を設けたため、コントローラ２５に
おいてモータ駆動回路の異常を容易に検出することがで
き、異常時に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利点がある。その他の作用効果
は、上記第１の実施の形態と同様である。

【００６６】図９は本発明の第４の実施の形態における
モータ制御回路の構成を示す回路図である。なお、電動
パワーステアリング装置等の全体的な構成は上記第１の
実施の形態と同様であるため、その図示及び説明は省略
する。また、上記各実施の形態と同様の構成には同じ符
号を付し、その重複する説明は省略する。

【００６７】即ち、本実施の形態の構成は、異常監視部
３０のトランジスタ３３を省略した点を除いては、上記
第３の実施の形態と同様の構成のモータ制御回路と同様
である。そして、異常監視部３０の上下限判定器３２の
出力がコントローラ２５に供給されるようになってい
る。このような構成であれば、コイル１０及び１１の両
方が短絡又は断線するような異常が生じた場合には、出
力電圧Ｖ₃が零又はＶ_DDになり、これがサンプルホール
ド回路３１でホールドされて上下限判定器３２に供給さ
れ、上下限判定器３２は出力電圧Ｖ₃が適正な範囲外に
あると判断し、その結果をコントローラ２５に供給す
る。この結果、コントローラ２５は異常が発生したこと
を認識できるから、操舵補助トルクを発生させる制御を
停止して、異常発生時に不要な操舵補助トルクが発生す
るようなことは防止される。その他の異常が発生した場
合の作用効果は上記第３の実施の形態と同様であり、ま
たその他の作用効果は上記第１の実施の形態と同様であ
る。

【００６８】そして、本実施の形態にあっては、上記第
３の実施の形態と比較してトランジスタ３３が省略でき
るという利点がある。図１０は本発明の第５の実施の形
態におけるモータ制御回路の構成を示す回路図である。
なお、電動パワーステアリング装置等の全体的な構成は
上記第１の実施の形態と同様であるため、その図示及び
説明は省略する。また、上記第１の実施の形態と同様の
構成には同じ符号を付し、その重複する説明は省略す
る。

【００６９】即ち、本実施の形態の構成は、ブリッジ回
路の一方の出力電圧Ｖ₃をレベル変換器３５を介してコ
ントローラ２５に供給するようにした点を除いては、上
記第１の実施の形態と同様の構成のモータ制御回路と同
様である。そして、コントローラ２５は、図１１（ａ）
に示すように変化する出力電圧Ｖ₃を、図１１（ｂ）に
示すようなタイミングで読み込むようになっている。つ
まり、コントローラ２５は、定常状態にある出力電圧Ｖ
₃を読み込むようになっている。

【００７０】このような構成でれば、コイル１０及び１
１の両方が短絡又は断線するような異常が生じた場合に
は、定常状態の出力電圧Ｖ₃が零又はＶ_DDになり、これ
がレベル変換器３５を介してコントローラ２５に供給さ
れるから、コントローラ２５は異常が発生したことを認
識でき、操舵補助トルクを発生させる制御を停止して、
異常発生時に不要な操舵補助トルクが発生するようなこ
とは防止される。その他の異常が発生した場合の作用効
果は上記第３の実施の形態と同様であり、またその他の
作用効果は上記第１の実施の形態と同様である。

【００７１】そして、本実施の形態にあっては、上記第
３，第４の実施の形態と比較して異常監視部３０が簡略
化できるという利点がある。図１２は本発明の第６の実
施の形態を説明する波形図である。なお、本実施の形態
の装置構成は上記第５の実施の形態と同様であるため、
その図示及び説明は省略する。

【００７２】即ち、本実施の形態にあっては、上記第５
の実施の形態と同様の構成及び同様の動作を奏する他
に、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、ホールド信号
Ｖ_Sの出力タイミングを、差動アンプ２２の出力電圧Ｖ
₅の過渡期Ｔ₂以外に、その前後の定常時Ｔ₁，Ｔ₃に
もそれぞれ設定することにより、電圧Ｖ₂の一つの方形
波毎に３回ずつ出力電圧Ｖ₅をホールドして、図１２
（ｄ）に示すように各タイミング毎に出力電圧Ｖ₀をコ
ントローラ２５が読み込むようにしている。

【００７３】このような構成であれば、コントローラ２
５は出力電圧Ｖ₀の三つの状態を認識でき、各出力電圧
Ｖ₀に基づいて差動アンプ２２が正常に稼働しているか
否かを判断することができる。つまり、過渡期Ｔ₂にホ
ールドされ読み込まれた出力電圧Ｖ₀に基づき上記第１
の実施の形態と同様に発生している操舵トルクの方向及
び大きさを判断して操舵補助トルク制御を実行する一方
で、二つの定常時Ｔ₁及びＴ₃にホールドされ読み込ま
れた出力電圧Ｖ₀が等しく中立電圧Ｖ_rになければ、差
動アンプ２２に異常が発生したと判断することができ
る。また、例えばコイル１０及び１１の接続部に溶接不
良や半田脱落等の異常がある場合、その接触抵抗が増加
するため、定常時Ｔ₁又はＴ₃にホールドされ読み込ま
れた出力電圧Ｖ₀が中立電圧Ｔ_rよりも低下するように
なるから、それら出力電圧Ｖ₀の中立電圧Ｖ_rからのず
れに基づいてコイル１０，１１の接続状態を判断するこ
ともできる。そして、上記第５の実施の形態と同様の作
用により、コイル１０及び１１の両方が短絡又は断線す
るような異常が生じた場合も検出できる。なお、その他
の異常が発生した場合の作用効果は上記第３の実施の形
態と同様であり、またその他の作用効果は上記第１の実
施の形態と同様である。

【００７４】図１３は本発明の第７の実施の形態におけ
るモータ制御回路の構成を示す回路図である。なお、電
動パワーステアリング装置等の全体的な構成は上記第１
の実施の形態と同様であるため、その図示及び説明は省
略する。また、上記第１の実施の形態と同様の構成には
同じ符号を付し、その重複する説明は省略する。

【００７５】即ち、本実施の形態の構成は、ブリッジ回
路の出力電圧Ｖ₃，Ｖ₄をコントローラ２５に直接供給
する点を除いては上記第１の実施の形態と同様である。
ただし、コントローラ２５には、各出力電圧Ｖ₀，
Ｖ₃，Ｖ₄を読み込むために少なくとも三つのＡ／Ｄ変
換器を設けている。

【００７６】そして、本実施の形態の波形図である図１
４に示すように、ホールド信号Ｖ_Sの出力タイミングを
定常時Ｔ₁と過渡期Ｔ₂とに設定することにより、一つ
の方形波毎に二回ずつ出力電圧Ｖ₅をホールドするよう
になっている。また、図１５に示すように、二つの定常
状態時に、ブリッジ回路の出力電圧を読み込むようにし
ている。なお、図１５（ｂ）は、出力電圧Ｖ₃，Ｖ₄の
読み込みタイミングを表している。

【００７７】このような構成であれば、コントローラ２
５は出力電圧Ｖ₀に基づいて差動アンプ２２が稼働して
いるか否か及び基準電圧Ｖ_rが正常かを認識できる一
方、各出力電圧Ｖ₃，Ｖ₄に基づいてコイル１０，１１
の接続部に異常がある場合やトランジスタＴ_rに異常が
ある場合もコントローラ２５で予め設定された値との比
較で認識することができる。その他の作用効果は上記第
１，３の実施の形態と同様である。

【００７８】なお、上記各実施の形態では、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。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にあって
は、コイルに方形波状に変化する電圧を供給した際にコ
イルと電気抵抗との間に発生する過度電圧に基づいてト
ルクを検出するようにしたため、コイルに電流が流れる
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、しかも、必要な電子部品
数も少なくなり、個々の電子部品に要求される精度も低
くて済むから、コストも低減するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の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】第１の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】第１の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】第２の実施の形態のモータ制御回路の回路図で
ある。

【図７】第２の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８】第３の実施の形態のモータ制御回路の回路図で
ある。

【図９】第４の実施の形態のモータ制御回路の回路図で
ある。

【図１０】第５の実施の形態のモータ制御回路の回路図
である。

【図１１】第５の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１２】第６の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１３】第７の実施の形態のモータ制御回路の回路図
である。

【図１４】第７の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１５】第７の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。

【符号の説明】２入力軸（第２の回転軸）３出力軸（第１の回転軸）３Ａ溝３Ｂ凸部（溝でない部分）４トーションバー８円筒部材８ａ，８ｂ窓１０，１１コイル２０コイル駆動部２２差動アンプ２３サンプルホールド回路２３Ａ，２３Ｂサンプルホールド回路２５コントローラ２６モータ駆動部３０異常監視部３１サンプルホールド回路３２上下限判定器３３トランジスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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
との重なり具合が変化するように窓を形成し、前記円筒
部材の前記窓が形成された部分を包囲するようにコイル
を配設し、前記コイルと直列に電気抵抗を配設し、そし
て、前記コイルに方形波状に変化する電圧を供給した際
に前記コイルと電気抵抗との間に発生する過度電圧に基
づいて、前記第１及び第２の回転軸に発生するトルクを
検出するようになっていることを特徴とするトルクセン
サ。