JPH1137865A

JPH1137865A - トルクセンサ

Info

Publication number: JPH1137865A
Application number: JP19012197A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sato; 浩一佐藤; Kazuo Chikaraishi; 一穂力石; Toshiyuki Onizuka; 利行鬼塚
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1997-07-15
Publication date: 1999-02-12
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: JP3666191B2

Abstract

(57)【要約】【課題】トルクセンサにおいて、位置調整機構等での
面倒な中立調整が不要で、コスト削減や発熱量低減等を
図ることができると共に、信頼性を向上させ、一系統の
検出回路による構成を可能とする。【解決手段】トルク検出のためのコイルの駆動タイミ
ング及びサンプルホールドのタイミングを可変する制御
演算部と、センサ各部の初期値を記憶する記憶部とを具
備し、前記コイルの過渡電圧のサンプリングに基づいて
トルクを検出すると共に、前記トルク検出を行っていな
いサンプルホールドの合間に、前記記憶部の初期値と比
較することによって前記センサ各部の故障を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両のハンドル操
舵の回転軸に発生する操舵トルクを非接触で検出するト
ルクセンサに関し、特に発生する操舵トルクに応じてイ
ンピーダンスが変化するトルクセンサにおいて、寸法誤
差、組立誤差、電子部品の出力誤差等により生じた中立
時出力電圧ズレを簡単に補正すると共に、トルクの検出
を行っていない時に、検出時とは異なる動作で各部の故
障を検知するようにして信頼性を向上させたトルクセン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車や車両のステアリング装置をモ−
タの回転力で補助負荷付勢する電動パワ−ステアリング
装置は、モ−タの駆動力を減速機を介してギア又はベル
ト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラ
ック軸に補助負荷付勢するようになっている。ここで、
一般的な電動パワ−ステアリング装置の構成を図１１に
示して説明する。操向ハンドル１の軸２は減速ギア３
Ａ、ユニバ−サルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラ
ック機構５を経て操向車輪のタイロッド６に結合されて
いる。軸２には、操向ハンドル１の操舵トルクを検出す
るトルクセンサ１００が設けられており、操向ハンドル
１の操舵力を補助するモ−タ２０がクラッチ２１、減速
ギア３Ａを介して軸２に結合されている。パワ−ステア
リング装置を制御するコントロ−ルユニット２００に
は、バッテリ１４からイグニションキ−１１を経て電力
が供給され、コントロ−ルユニット２００は、トルクセ
ンサ１００で検出された操舵トルクＴと車速センサ１２
で検出された車速Ｖとに基づいてアシスト指令の操舵補
助指令値Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値Ｉ
に基づいてモ−タ２０に供給する電流を制御する。クラ
ッチ２１はコントロ−ルユニット２００でＯＮ／ＯＦＦ
制御され、通常の動作状態ではＯＮ（結合）されてい
る。そして、コントロ−ルユニット２００にはパワ−ス
テアリング装置が故障と判断された時、及びイグニショ
ンキ−１１によりバッテリ１４の電源がＯＦＦとなって
いる時に、クラッチ２１はＯＦＦ（切断）される。

【０００３】コントロ−ルユニット２００は主としてＣ
ＰＵで構成されるが、そのＣＰＵ内部においてプログラ
ムで実行される一般的な機能を示すと図１２のようにな
る。トルクセンサ１００で検出されて入力される操舵ト
ルクＴは、操舵系の安定性を高めるために位相補償器２
０１で位相補償され、位相補償された操舵トルクＴＡが
操舵補助指令値演算器２０２に入力される。また、車速
センサ１２で検出された車速Ｖも操舵補助指令値演算器
２０２に入力される。操舵補助指令値演算器２０２は、
入力された操舵トルクＴＡ及び車速Ｖに基づいてモ−タ
２０に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値
Ｉを決定し、操舵補助指令値演算器２０２にはメモリ２
０３が付設されている。メモリ２０３は車速Ｖをパラメ
−タとして操舵トルクに対応する操舵補助指令値Ｉを格
納しており、操舵補助指令値演算器２０２による操舵補
助指令値Ｉの演算に使用される。操舵補助指令値Ｉは減
算器２００Ａに入力されると共に、応答速度を高めるた
めのフィ−ドフォワ−ド系の微分補償器２０４に入力さ
れ、減算器２００Ａの偏差（Ｉ−ｉ）は比例演算器２０
５に入力され、その比例出力は加算器２００Ｂに入力さ
れると共に、フィ−ドバック系の特性を改善するための
積分演算器２０６に入力される。微分補償器２０４及び
積分演算器２０６の出力も加算器２００Ｂに加算入力さ
れ、加算器２００Ｂでの加算結果である電流制御値Ｅ
が、モ−タ駆動信号としてモ−タ駆動回路２０７に入力
される。モ−タ２０のモ−タ電流値ｉはモ−タ電流検出
回路２０８で検出され、モ−タ電流値ｉは減算器２００
Ａにフィ−ドバックされる。

【０００４】上述のようなパワ−ステアリング装置のト
ルクセンサ１００としては、例えば特公昭６３−４５５
２８号公報に示されるものがある。このトルクセンサ
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２つの円筒体が同軸に嵌め合わされると共に、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、２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、コイルのインピ
−ダンスを測定することにより軸に発生するトルクを検
出するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来のト
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、コイルを駆動する電流が高周波の交流電流
であるため、高精度のトルクセンサとするためには正確
な正弦波の交流電流を供給するための発振電源部が必要
である。このため、多数の電子部品が必要となり、しか
も個々の電子部品自体に高い精度が要求されるため、コ
ストが嵩むという問題があった。また、正弦波の交流電
流でコイルを駆動する構造であり、しかも実際には電流
の向きを一定（片電源駆動）とするため、オフセット電
圧を加えてコイルを駆動するようにしており、消費電力
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もあった。更に、コイルのインピ
−ダンスの変化がそれ程急俊ではないため、センサ感度
が余り良くないといった問題もある。

【０００６】一方、従来のトルクセンサにおいては、軸
等のセンサ構成部品の組立誤差や信号処理の各電子部品
公差等で、入力トルク零時の出力電圧がコントロ−ラ所
定の中立電圧からズレてしまうため、常に出力電圧の調
整が必要であった。しかし、この電圧調整はトルクセン
サ側の位置調整等で行われており、作業が面倒なばかり
か、固定方法の信頼性に頼っているため、動いてしまう
とセルフステアの危険性を含んでいた。また、コントロ
−ラ所定の電圧を決めているＡ／Ｄ等の基準電圧にも公
差があり、正確にトルクセンサの中立電圧を所定値に合
わせてもコントロ−ラがズレているように認識してしま
う場合もあった。例えば特開平１−１７３８４３号公報
は磁歪式センサに対してメモリを設け、２つのコイルの
バランスをとることでセンサ初期中立ズレを補正するよ
うにしているが、異常状態の検出はできない。そして、
トルクセンサの信頼性を向上させる場合には、従来は同
一のセンサを複数配置し、複数センサの検出値を常時比
較してその差の変化から、異常状態の検出や誤作動の防
止を行っていた。センサを複数配置することはコストの
上昇となり、検出系も複雑になってしまう欠点がある。

【０００７】本発明は上述のような事情よりなされたも
のであり、本発明の目的は、位置調整機構等による面倒
な中立調整が不要で、コスト削減や発熱量低減等を図る
ことができると共に、小型省スペ−スで信頼性を向上さ
せ、一系統の検出回路による構成を可能としたトルクセ
ンサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明はトルクセンサに
関し、本発明の上記目的は、トルク検出のためのコイル
の駆動タイミング及びサンプルホールドのタイミングを
可変する制御演算部と、センサ各部の初期値を記憶する
記憶部とを設け、前記コイルの過渡電圧のサンプリング
に基づいてトルクを検出すると共に、前記トルク検出を
行っていないサンプルホールドの合間に、前記記憶部の
初期値と比較することによって前記センサ各部の故障を
検知することによって達成される。また、本発明は、ハ
ンドルの操舵トルクを検出し、前記操舵トルクに応じて
前記ハンドルと一体的に設けられたステアリングシャフ
トをモ−タで補助負荷付勢するようになっている電動パ
ワ−ステアリング装置のトルクセンサに関するもので、
本発明の上記目的は、前記トルクをコイルの過渡電圧の
サンプリングに基づいて検出するようにし、前記コイル
の駆動タイミング及びサンプルホ−ルドのタイミングを
可変できる制御演算部を設けると共に、初期値を記憶す
る記憶部を設け、前記操舵トルクの検出を行なっていな
いサンプルホ−ルドの合間に、前記初期値と比較するこ
とによって前記各部の故障を検知するようにすることに
より達成される。即ち、前記コイルを駆動していない前
記サンプルホ−ルド後のＡ／Ｄ値に基づいて、コイル電
圧、差動増幅器及びサンプルホールド回路の故障を検知
するようにし、更に中立電圧切替え後のＡ／Ｄ値に基づ
いて、前記差動増幅器の中立電圧部及び前記サンプルホ
−ルド回路のサンプルホ−ルド部の故障を検知するよう
にしている。

【０００９】本発明のトルクセンサは構造的には、同軸
に配設された第１及び第２の回転軸をト−ションバ−を
介して連結されると共に、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、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
間に発生する過渡電圧に基づいて、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。
ここで、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。非
磁性材料の透磁率は空気と同程度であり、磁性材料の透
磁率に比べて小さい。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
の電圧のことであり、本発明ではコイルを方形波電圧で
駆動するようになっているので、方形波電圧の供給間隔
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る。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
費電力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容易に高精度に発
生させることができる利点がある。

【００１０】本発明では更に、コイルに定常状態と過渡
状態という異なる状態が存在する駆動形式をとり、コイ
ル駆動タイミングやサンプルホ−ルドのタイミングを可
変させて、トルク検出を行っていないとき（トルク信号
のサンプリングタイムの合間）に、トルク信号検出時と
は異なる動作をさせると共に、記憶部に記憶された組み
立て初期値と比較することによって各部の故障を検知す
るようにしている。また、各部駆動のタイミング組み合
わせにより、全ての回路部を確認するようにして回路系
の１系統化を実現している。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照して説明する。

【００１２】図１乃至図３は、本発明のトルクセンサ１
００を車両用の電動パワーステアリング装置に適用した
構造例として示しており、電動パワーステアリング装置
全体の断面構造を示す図１において、ハウジング１０１
内には、トーションバ−１０２を介して連結された入力
軸２（図１１参照）及び出力軸３（図１１における減速
ギア３Ａの軸に相当）がそれぞれ軸受１０３ａ及び１０
３ｂによって回転自在に支持されている。入力軸２、出
力軸３及びトーションバ−１０２は同軸に配置されてお
り、入力軸２とトーションバ−１０２との間は各端部が
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−１０２の他端側は出力軸３内に深く入り
込んだ位置にスプライン結合されている。入力軸２及び
出力軸３は鉄等の磁性材料で形成されている。また、入
力軸２の右端側には操向ハンドル１（図１１参照）が回
転方向に一体に取り付けられており、出力軸３の左端側
には減速ギア３、ユニバ−サルジョイント４ａ，４ｂ、
ピニオンラック機構５を介してタイロッド６に連結され
ている（図１１参照）。従って、操縦者が操向ハンドル
１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−１０２、出力軸３及びステアリング
装置を介して転舵輪に伝達される。

【００１３】入力軸２の端部に固定されたスリーブ２Ａ
は出力軸３の端部外周面を包囲するような長さを有して
おり、スリーブ２Ａの出力軸３の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２ａ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
成されている。これら凸部２ａ及び溝３ａは周方向に余
裕を持って嵌め合わされており、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。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１０３が外嵌
され、ウォームホイール１０３の樹脂製の噛合部１０３
ａと、モータ２０の出力軸２０ａの外周面に形成された
ウォーム２０ｂとが噛み合っている。従って、モー夕２
０の回転力は、出力軸２０ａ、ウォーム２０ｂ及びウォ
ームホイール１０３を介して出力軸３に伝達され、モー
タ２０の回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸
３に任意方向の操舵補助トルクが付与されるようになっ
ている。

【００１４】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１０４が回転方向に一体に
固定されている。即ち、円筒部材１０４は導電性で且つ
非磁性の材料（例えばアルミニウム）で形成されてお
り、図２に示すように円筒部材１０４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の窓１０４ａ，,・・・・・，１０
４ａが形成され、スリーブ２Ａから遠い側には、窓１０
４ａ,・・・・・，１０４ａ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１０４ａと同形状）の
複数の窓１０４ｂ，・・・・・・，１０４ｂが形成されてい
る。また、出力軸３の円筒部材１０４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の
溝３Ｂが形成されている。

【００１５】より具体的には図３及び図４に示すよう
に、円筒部材１０４の周面を周方向にＮ等分（本例では
Ｎ＝９）した角度を一周期角度θ（＝３６０／Ｎ、本例
ではθ＝４０度）とし、円筒部材１０４のスリ−ブ２Ａ
に近い側の部分では一周期角度θの一方の端からａ度の
部分が窓１０４ａ，・・・・，１０４ａとなり、残りのｂ度
（＝θ−ａ）の部分が塞がっており、また、窓１０４
ａ,・・・・・，１０４ａとの位相が半周期（θ／２）ずれる
ように、円筒部材１０４のスリ−ブ２Ａから遠い側の部
分では一周期角度θの他方の端からａ度の部分が窓１０
４ｂ，・・・・，１０４ｂとなり、残りのｂ度（＝θ−ａ）
部分が塞がっている。尚、溝３Ｂ，・・・・，３Ｂの間の横
断面凸型の凸部３Ｃの周方向幅をｃ度、溝３Ｂ，・・・・，
３Ｂの周方向幅をｄ度、円筒部材１０４及び出力軸３間
（入力軸２及び出力軸３間）の相対回転可能範囲をｅ度
としている。ただし、トーションバ−１０２に捩れが生
じていない（操舵トルク零）ときに、例えばｃ＝２０度
の場合、図３に示すように窓１０４ａの周方向幅中央部
と溝３Ｂの周方向の一方の端部（凸部３Ｃの一方のエッ
ジ部）とが重なり、図４に示すように窓１０４ｂの周方
向幅中央部と溝３Ｂの周方向の他方の端部（凸部３Ｃの
他方のエッジ部）とが重なり合うようになっている。従
って、窓１０４ａ及び溝３Ｂの重なり状態と、窓１０４
ｂ及び溝３Ｂの重なり状態とは周方向で逆になってお
り、窓１０４ａ，１０４ｂの周方向幅中央部と溝３Ｂの
周方向幅中央部とはそれぞれθ／４ずつずれている。
尚、本実施例ではｂ＞ａ、ｄ＞ｃ、ｅ＜θ／４となって
いる。

【００１６】また、円筒部材１０４は、同一規格のコイ
ル１１０及び１１１が巻き付けられたヨーク１１２で包
囲されている。即ち、コイル１１０及び１１１は円筒部
材１０４と同軸に配置されており、コイル１１０は窓１
０４ａ,・・・・・，１０４ａが形成された部分を包囲するよ
うにヨーク１１２に巻き付けられ、コイル１１１は窓１
０４ｂ,・・・・・，１０４ｂが形成された部分を包囲するよ
うにヨーク１１２に巻き付けられ、ヨーク１１２はハウ
ジング１０１に固定されている。尚、ハウジング１０１
内のウォームホイール１０３が配設されている空間と、
ヨーク１１２が配設されている空間との間はオイルシー
ル１１３によって隔離されており、これによりウォーム
ホイール１０３及びウォーム２０ｂの噛み合い部分に供
給される潤滑油がヨーク１１２側に入り込まないように
なっている。

【００１７】そして、コイル１１０及び１１１は、セン
サケース１１４内の制御基板２１０上に構成されている
コントロ−ルユニット２００（モータ制御回路を含む）
に接続されている。モータ制御回路は、図５に示すよう
にトルク検出部２２０及び演算部２３０で成り、コイル
１１０，１１１と直列に接続された抵抗値の等しい２つ
の抵抗Ｒｏを有し、コイル１１０，１１１及び抵抗Ｒ
ｏ，Ｒｏ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１１０及び１１１同士の接続
部は、ＰＮＰ型トランジスタＴｒからなるコイル駆動部
２２１を介して接地され、電気抵抗Ｒｏ同士の接続部は
演算部（ＭＰＵやＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等のイン
タフェース回路等で構成）２３０のリファレンス電圧Ｖ
２に接続されている。尚、コイル１１０及び１１１の接
続部は、コイル１１０及び１１１に逆向きの起電力が発
生した場合の電流を回生するダイオード２２２を介し
て、演算部２３０の出力ポ−ト１に接続されている。コ
イル駆動部２２１のトランジスタＴｒのゲートには、演
算部２３０から制御電圧Ｖｌが供給されるようになって
いる。この制御電圧Ｖｌは図６（ａ）に示すような方形
波電圧であり、その方形波の出力間隔は演算部２３０の
サンプリング・クロックに同期している。また、制御電
圧Ｖ１は、コイル駆動部２２１のトランジスタＴｒがＰ
ＮＰ型であるため、そのトランジスタＴｒ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Ｔｒをオフとするタイミングで論理値“０”
から“１”に立ち上がる負論理の電圧となっている。そ
して、抵抗Ｒｏ及びコイル１１０，１１１からコイル駆
動部２２１に供給されるリファレンス電圧Ｖ２は、トラ
ンジスタＴｒのオン／オフに同期した図６（ｂ）に示す
ような方形波電圧となる。つまり、電圧Ｖ２は制御電圧
Ｖｌを反転した方形波となっている。

【００１８】更に、コイル１１０及び抵抗Ｒｏ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１
１１及び抵抗Ｒｏ間の電圧であるブリッジ回路の他方の
出力電圧Ｖ４とが差動増幅器２２３に人力されると共
に、それぞれ演算部２３０のＡ／Ｄ用のＡ／Ｄ１端子及
びＡ／Ｄ２端子に入力されている。尚、差動増幅器２２
３には、中立電圧切替部２２４から供給される中立電圧
Ｖｒが供給されており、差動増幅器２２３は、増幅率を
Ｇとして下記（１）式で表わされる出力電圧Ｖ５を出力
する。

【００１９】Ｖ５＝Ｇ×（Ｖ３−Ｖ４）＋Ｖｒ・・・・・・（１）差動増幅器２２３の出力電圧Ｖ５は演算部２３０のＡ／
Ｄ２端子に入力されると共に、演算部２３０からのホ−
ルド信号Ｖｓに従ってサンプルホールド回路２２５でホ
ールドされ、所定サンプリング時における出力電圧Ｖｏ
が演算部２３０のＡ／Ｄ１端子に入力される。演算部２
３０はサンプルホールド回路２２５に、制御電圧Ｖｌの
立ち下がりと同時に立ち上がると共に、それから所定時
間経過後に立ち下がる図７（ｃ）に示すような短いパル
ス状のホールド信号Ｖｓをサンプルホールド回路２２５
に入力し、サンプルホールド回路２２５はホールド信号
Ｖｓの立ち下がり時点における電圧Ｖ５を出力電圧Ｖｏ
としてホールドし、電圧Ｖｏを演算部２３０でＡ／Ｄ変
換する。また、演算部２３０には組み立て後の中立信号
を記憶する不揮発性メモリの中立信号記憶部２４０が接
続されると共に、組み立て終了後に中立信号記憶部２４
０に記憶させるための書込信号を受ける書込信号通信部
（シリアル通信ポ−ト又は汎用入出力ポ−ト）２４１が
接続されている。

【００２０】尚、ホールド信号Ｖｓの立ち下がりタイミ
ングは、過渡状態にある出力電圧Ｖ３及びＶ４が差動増
幅器２２３に供給されている最中である。より具体的に
は、制御電圧Ｖｌの立ち下がり時点から、コイル１１
０，１１１のインダクタンス及び抵抗Ｒｏで決まる時定
数τだけ経過した時点を、ホールド信号Ｖｓを立ち下げ
る夕イミングとする。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。従っ
て、ホールド信号Ｖｓを時定数τまでの間で可変させれ
ば、トルクセンサ出力のゲイン調整も可能となる。ま
た、中立信号記憶部２４０は、バッテリ等のバックアッ
プ電源を内蔵したメモリであってもよい。

【００２１】そして、演算部２３０は、サンプルホール
ド回路２２５から入力される電圧Ｖｏに基づいて入力軸
２及び円筒部材１０４の相対回転変位の方向及び大きさ
を演算し、その演算結果に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、その演算に基づいて操舵
補助トルクを発生する駆動電流Ｉがモータ２０に供給さ
れるようにモータ駆動回路２０７を制御する。図８はこ
のような通常動作のタイミングを示しており、同図
（ａ）はコイル駆動の制御電圧Ｖ１のタイミングを示し
ており、時間Ｔ１がコイル非駆動時間であり、同図
（ｂ）が入力された制御電圧Ｖ１に対応するコイル電圧
を示している。また、図８（ｃ）はサンプルホ−ルド回
路２２５の動作を示しており、ホ−ルド時間Ｔ２の間を
ＣＰＵ演算時間やモ−タ制御時間等に使用し、時点ｔ１
にセンサ出力をＡ／Ｄ変換する。尚、演算部２３０には
車速センサ１２から車速Ｖが入力されており、車速Ｖ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
ー夕駆動回路２０７に対する制御を禁止している。

【００２２】次に、本実施例の動作を説明する。

【００２３】操舵系が直進状態にあり、操舵トルクが零
である場合には入力軸２及び出力軸３の間には相対回転
は生ぜず、出力軸３と円筒部材１０４との間にも相対回
転は生じない。一方、操向ハンドル１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−１
０２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−ション
バ−１０２が捩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１０４間にも相対
回転が生じる。円筒部材１０４に窓がない状態では、円
筒部材１０４は導電性で且つ非磁性材料で成っているた
め、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１０４の外周面にコイル電流と
反対方向の渦電流が発生する。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１０４
の内側の磁界は相殺される。

【００２４】円筒部材１０４に窓１０４ａ，１０４ｂを
設けた場合、円筒部材１０４の外周面に生じた渦電流は
窓１０４ａ，１０４ｂによって外周面を周回できないた
め、窓１０４ａ，１０４ｂの端面に沿って円筒部材１０
４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１０４ａ，１０４ｂの端面に沿って
外周面側に戻るループを形成する。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（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１０４の内外に、周方向
に周期的な強弱を有し、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１０４ａ，１０４
ｂ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。円筒部材１０４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３Ｂ，凹
部３Ｃが窓１０４ａ，１０４ｂと同じ周期をもって形成
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。

【００２５】このため、円筒部材１０４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１０４との相対的
な位相によって増減する。

【００２６】自発磁化が最大となる位相は、窓１０４
ａ，１０４ｂ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となる。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、スリーブ２Ａに近い側の窓列と他方の
窓列との位相は１／２周期（θ／２）の位相差である。

【００２７】このため、トルクにより円筒部材１０４と
軸３に位相差が生じると、２つのコイル１１０，１１１
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。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１１０，１１１のインダクタンスは等しい
からコイル１１０，１１１のインピーダンスには差が生
ぜず、コイル１１０及び１１１の自己誘導起電力は等し
い。この状態で、演算部２３０からコイル駆動部２２１
に図６（ａ）に示すような方形波の制御電圧Ｖｌが供給
され、制御電圧Ｖｌを反転した図６（ｂ）に示すような
方形波の電圧Ｖ２がコイル１１０及び１１１に供給され
ると、ブリッジ回路の出力電圧Ｖ３及びＶ４は図７の
（１）−（ａ）に示すように、その過渡時の値も等しく
なる。差が零であるから、差動増幅器２２３の出力電圧
Ｖ５は図７の（１）−（ｂ）に示すように中立電圧Ｖｒ
を維持するから、図７の（１）−（ｃ）に示すようなホ
ールド信号Ｖｓが出力されても、サンプルホールド回路
２２５の出力電圧Ｖｏは同図（１）−（ｄ）に示すよう
に中立電圧Ｖｒのままである。この結果、演算部２３０
は操舵系の操舵トルクが零であることを検出するから、
モータ駆動回路２０７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。

【００２８】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１１０のインダクタンスが増大し、コイル１１１
のインダクタンスが減少する。逆に左操舵トルクが増大
するに従って、コイル１１０のインダクタンスが減少
し、コイル１１１のインダクタンスが増大する。そし
て、コイル１１０，１１１のインダクタンスが上記のよ
うに変化すれば、コイル１１０及び１１１のインピーダ
ンスも同様の傾向で変化し、コイル１１０及び１１１の
自己誘導起電力も同様の傾向で変化する。このため、右
操舵トルク発生時には、図７の（２）−（ａ）に示すよ
うに出力電圧Ｖ３は出力電圧Ｖ４よりも急峻に立ち上が
るため、同図（２）−（ｂ）に示すように出力電圧Ｖ３
及びＶ４の過渡期には差が生じることになり、その差
（Ｖ５）は発生する操舵トルクが大きいほど大きくな
る。逆に、左操舵トルク発生時には、図７の（３）−
（ａ）に示すように出力電圧Ｖ４は出力電圧Ｖ３よりも
急峻に立ち上がるため、同図（３）−（ｂ）に示すよう
に出力電圧Ｖ３及びＶ４の過渡期には同様に差が生じる
ことになり、その差（Ｖ５）は発生する操舵トルクが大
きいほど大きくなる。

【００２９】以上のように、差動増幅器２２３の出力電
圧Ｖ５は図７の（２）−（ｂ）及び（３）−（ｂ）に示
すように、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Ｖｒから大きく変化する。従って、図７の
（２）−（ｃ）及び（３）−（ｃ）に示すようなタイミ
ングでホールド信号Ｖｓがサンプルホ−ルド回路２２５
に入力されて電圧Ｖ５がホールドされると、右操舵トル
ク発生時には図７の（２）−（ｄ）に示すように中立電
圧Ｖｒよりも大きな出力電圧Ｖｏのホ−ルド値が得ら
れ、左操舵トルク発生時には図７の（３）−（ｄ）に示
すように中立電圧よりも小さい出力電圧Ｖｏのホ−ルド
値が得られる。

【００３０】そして、演算部２３０は入力される出力電
圧Ｖｏ等に基づいて操舵トルクを求めてモータ駆動回路
２０７に入力し、モータ駆動回路２０７は操舵トルクの
方向及び大きさに応じた駆動電流Ｉをモー夕２０に供給
する。これにより、モータ２０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を発生し、
その回転力がウォーム２０ｂ等を介して出力軸３に伝達
され、出力軸３に操舵補助トルクが付与されて操縦者の
負担が軽減される。

【００３１】このようにコイル１１０，１１１に対して
方形波の電圧Ｖ２を供給するような構成であっても、差
動増幅器２２３及びサンプルホールド回路２２５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Ｖｏとして演算部２３０に入力している。この
ため、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。そして、コイル１１０，１１１を方形波
電圧Ｖ２で駆動する構成であると、コイル１１０，１１
１に電流が流れるのは電圧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。本実施例の構成であると、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Ｖｏ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Ｔｒをオンにすればよいから、電圧Ｖ２のデュー
ティ比をごく小さく（例えば５％程度）することができ
る。その結果、コイル１１０，１１１に電流が流れる時
間が非常に短くなるから、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。また、演算部２
３０でオン／オフ制御される制御電圧Ｖｌをトランジス
タＴｒに供給するだけで、コイル１１０，１１１を方形
波電圧Ｖ２で駆動することができるから、正弦波駆動の
場合に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。

【００３２】一方、本発明では演算部２３０に中立信号
記憶部２４０が接続されており、組み立て終了後に書込
信号通信部２４１を経て中立信号記憶部２４０に組み立
て初期値を記憶させている。組み立て終了後、入力トル
ク零時（図７の（１））にはサンプルホ−ルド回路２２
５の出力電圧Ｖｏは中立電圧値Ｖｒ（Ａ／Ｄの中央値の
２．５Ｖ）となるはずであるが、実際には図１０に示す
ように、軸等の部品個々の寸法誤差、組み立ての角度誤
差、トルク検出部２２０の部品公差等により、初期ズレ
をαとして、出力電圧Ｖｏは（２．５±α）Ｖとなり、
初期ズレαによるズレ範囲±αが使用電圧範囲以上まで
ズレる可能性がある。この状態で図１０に示すように、
外部通信により演算部２３０に予め決められたソフト調
整可能な範囲に入るように、中立切替部２２４を作動さ
せる信号を出力ポ−ト３より送出させると共に、予め決
められたソフト調整可能な範囲内に入った時の出力電圧
（２．５±α１）Ｖをオフセット値として記憶する記憶
命令を書込信号通信部２４１を介して送り、この記憶命
令を受けて演算部２３０は中立信号記憶部２４０に組み
立て初期値を中立信号として記憶する。その後外部信号
通信部２４１の機能を外し、システムを作動させると以
後は常に中立信号記憶部２４０に記憶された初期値を差
動増幅器２２３の中立（±α１の補正）とし、駆動電流
Ｉの算出を行う。以上により初期組み立て公差による中
立ズレ（±α）の影響を受けることなく、面倒な機械的
中立調整を省いてシステムを稼働することができる。

【００３３】更に本発明では、各出力電圧と切替部のデ
−タも中立信号記憶部２４０に記憶しておき、各部の故
障判定に用いている。即ち、図９に示すように、過渡電
圧変化に基づくトルク検出のタイミングは、演算部２３
０の制御により随時一定周期（数ミリ秒）にて行われて
いるが、コイルが駆動されているのは数十マイクロ秒で
あり、その大部分はコイルが駆動されていない時間Ｔ１
となっている。このコイルが駆動されていないコイル非
駆動時間Ｔ１の間に、図９（ｃ）に示すように時間Ｔ３
及びＴ４の間隔でサンプリングすると共に、時間Ｔ３の
間の時点ｔ１においてそのホ−ルド値をＡ／Ｄ変換して
トルク出力を得、次のサンプリング後の時点ｔ２におい
て各部のＡ／Ｄ変換を得、中立信号記憶部２４０に記憶
されている初期値と比較する。そして、コイル電圧Ｖ３
及びＶ４が初期値と異なる場合にはコイル地絡、又はコ
イル駆動用トランジスタ導通と判定し、差動増幅器２２
３の出力電圧Ｖ５が初期値と異なる場合には中立電圧異
常、差動増幅器異常、又はＡ／Ｄ変換部の異常があると
判断する。また、サンプルホ−ルド回路２２５の出力電
圧Ｖｏが初期値と異なる場合にはサンプルホ−ルド回路
の異常又はＡ／Ｄ変換部の異常と判断する。

【００３４】更に、その後の時点ｔ３に中立電圧切替部
２２４で中立電圧を切替え、その後の時点ｔ４における
各部のＡ／Ｄ値を、時点ｔ２での各部のＡ／Ｄ値と比較
する。そして、差動増幅器２２３の出力電圧Ｖ５が正常
値（初期値＋切替えによるオフセット電圧）でない場合
には、中立電圧部２２４が異常であると判断し、サンプ
ルホ−ルド回路２２５の出力電圧Ｖｏが正常値（初期値
＋時点ｔ２における出力電圧Ｖｏ）でない場合には、サ
ンプルホ−ルド回路２２５が異常であると判断する。

【００３５】尚、上記実施例では、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。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のトルクセ
ンサによれば、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ているため、コイル
に電流が流れる時間が非常に短くなり、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。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ため、製造コストも低減す
るという効果がある。また、組み立て初期値を記憶させ
ておき、初期ズレを補正するようにしているので信頼性
が向上し、操舵トルクの検出を行っていないサンプルホ
−ルドの合間に、初期値と比較することによって各部の
故障を検知するようにしているので、回路の１系統化を
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のトルクセンサを適用した電動パワ−ス
テアリング装置の構成を示す断面図である。

【図２】円筒部材及びその周囲の斜視図である。

【図３】図１のＡ−Ａ線における円筒部材及び出力軸の
断面図である。

【図４】図１のＢ−Ｂ線における円筒部材及び出力軸の
断面図である。

【図５】モータ制御回路の一例を示す回路図である。

【図６】方形波駆動の動作を説明するための図である。

【図７】本発明の動作タイミングを示すタイミングチャ
−トである。

【図８】通常時の動作例を示すタイミングチャ−トであ
る。

【図９】故障検出時の動作例を示すタイミングチャ−ト
である。

【図１０】本発明の動作を説明するための波形図であ
る。

【図１１】電動パワ−ステアリング装置の一般的構成を
示す構成図である。

【図１２】電動パワ−ステアリング装置のコントロ−ル
ユニットの一例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１操向ハンドル６タイロッド１２車速センサ１００トルクセンサ１０２トーションバー１０４円筒部材１１０，１１１コイル２００コントロールユニット２０３メモリ２２０トルク検出部２２３差動増幅器２２４中立電圧切替部２２５サンプルホールド回路２３０演算部（ＭＰＵ）２４０中立信号記憶部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トルク検出のためのコイルの駆動タイミ
ング及びサンプルホールドのタイミングを可変する制御
演算部と、センサ各部の初期値を記憶する記憶部とを具
備し、前記コイルの過渡電圧のサンプリングに基づいて
トルクを検出すると共に、前記トルク検出を行っていな
いサンプルホールドの合間に、前記記憶部の初期値と比
較することによって前記センサ各部の故障を検知するよ
うになっていることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】ハンドルの操舵トルクを検出し、前記操
舵トルクに応じて前記ハンドルと一体的に設けられたス
テアリングシャフトをモ−タで補助負荷付勢するように
なっている電動パワ−ステアリング装置のトルクセンサ
において、前記操舵トルクをコイルの過渡電圧のサンプ
リングに基づいて検出するようになっており、前記コイ
ルの駆動タイミング及びサンプルホ−ルドのタイミング
を可変できる制御演算部を具備すると共に、各部の初期
値を記憶する記憶部を具備し、前記操舵トルクの検出を
行っていないサンプルホ−ルドの合間に、前記初期値と
比較することによって前記各部の故障を検知するように
したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項３】前記コイルを駆動していないタイミング
の前記サンプルホ−ルド後のＡ／Ｄ値に基づいて、コイ
ル電圧、差動増幅器及びホ−ルド増幅器の故障を検知す
るようにした請求項２に記載のトルクセンサ。
【請求項４】更に中立電圧切替え後のＡ／Ｄ値に基づ
いて、前記差動増幅器の中立電圧部及び前記ホ−ルド増
幅器のサンプルホ−ルド部の故障を検知するようにした
請求項３に記載のトルクセンサ。