JP2004061149A

JP2004061149A - トルクセンサ及びこれを用いた電動パワーステアリング装置

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Publication number: JP2004061149A
Application number: JP2002216165A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Matsumoto; 松本　昌大; Masamichi Yamada; 山田　雅通
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26
Also published as: US20040016305A1; US20040159488A1; DE10306029A1

Abstract

【課題】従来よりも非常に簡単な構造により、トルク検出精度（捩れ角度検出精度）を高めることのできるトルクセンサを提供する。
【構成】トーションバー７を介して連結される入力軸１と出力軸１５とに、一定のピッチで着磁された磁気トラックをもつそれぞれの磁気媒体２，８が設けられ、各磁気媒体２，８に対向して、各磁気トラックに感応する磁気検出素子３０〜３３、３８〜４３が配置されている。入力軸１の磁気媒体２と出力軸１５の磁気媒体８には、トルク検出用として各々少なくとも２つの磁気トラック３，４及び９，１０が磁気位相差をもって形成されている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トーションバーを介して連結される入力軸（第１の軸）と出力軸（第２の軸）に加わるトルクを検出するトルクセンサに係わり、例えば、パワーステアリングの操舵トルクの検出等に適したトルクセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のトルクセンサには、特開平３−２０４３７４号公報に記載されるように磁気エンコーダ方式を利用して入力軸（第１の軸）、出力軸（第２の軸）に加わるトルクを検出する装置や、特開２００１−３２４３９４号公報に記載されるように入力軸と出力軸とに磁性の突起を配設して、この磁性突起に感応する磁気センサの出力差を利用して入力軸、出力軸に加わるトルクを検出するトルク検出装置が提案されている。これらのトルク検出装置は、入力軸と出力軸に加わるトルクを、トーションバーに生じる捩れ角度により検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、特開平３−２０４３７４号公報などに記載される従来の磁気エンコーダ方式を用いたトルク検出原理を、図２、３、４により説明する。
【０００４】
この種のトルク検出装置では、トーションバーにより２つの回転軸を連結し、この２つの回転軸に働くトルクによりトーションバーに捩れが生じるようにしてある。このトーションバーの捩れ角度は、各々の回転軸に支持される磁気ドラム２５（磁気媒体）に記録した磁気信号を検出することにより求められ、捩れ角度よりトルクが算出される。
【０００５】
各磁気ドラム２５の外周には、図２に示すように着磁ピッチλによりＮ極、Ｓ極が繰り返し着磁される。なお、図２では、連結される２つの磁気ドラムのうちの一つだけ図示している。磁気ドラム２５に対向するように基板２２が配置され、基板２２にＭＲ素子（磁気抵抗素子）２３，２４がλ／４の間隔で配置される。ここで、２つの回転軸（入力軸、出力軸）にトルクが働くと回転軸同士が回転するが、そのときトルクの大きさに応じて２つの回転軸を連結するトーションバーに捩れ（回転軸の回転角度差）が生じる。
【０００６】
図３に示すように、ＭＲ素子２３の出力は回転角に応じて正弦波状に変化する。また、ＭＲ素子２４の出力はＭＲ素子２３の出力に対して９０度（λ／４）の位相差を持ち正弦波状に変化する。このＭＲ素子２３，２４の信号のアークタンジェントを計算することで、各々の磁気ドラム２５の回転角度を求めることができる。更に各々の回転角の差を計算することでトーションバーの捩れ量を求め、この捩れ量によりトルクを求めていた。
【０００７】
このようなトルクセンサの場合、トーションバーの捩れ角の最大よりも磁気ドラムの着磁ピッチλを大きくしなければならない。この為、着磁ピッチλが本質的に大きくなってしまう。その結果、着磁部に磁気ドラム２５の丸み（曲率）の影響や磁気ドラムの着磁ムラの影響を大きくしてしまっていた。これにより、図３に示すＭＲ素子２３，２４の出力は正弦波からのずれ、ひずみを生じる。この為、図４に示すようにＭＲ素子２３，２４から計算した捩れ角の計算結果は大きな非線形性を生じることになる。また、磁気ドラム２５への着磁むらの影響により磁気ドラム２５の回転位置によっても出力が変化してしまった。また、着磁ピッチλが大きいことからＭＲ素子２３，２４の間隔も大きくなり、ＭＲ素子２３，２４を配置する基板２２も大きくなってしまった。
【０００８】
一方、特開２００１−３２４３９４号公報に記載されるトルクセンサの場合には、トーションバーの捩れ角を磁気的に検出するため、回転体に部分的な螺旋状の突起を繰り返し作る必要があった。
【０００９】
本発明の主たる目的は、従来よりも非常に簡単な構造により、トルク検出精度（捩れ角度検出精度）を高めることのできるトルクセンサを提供することにある。また、捩れ角度に加えて回転軸の回転位置も検出し得るトルクセンサも提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のように構成する。
（１）一つは、トーションバーを介して連結される入力軸（第１の軸）と出力軸（第２の軸）とに、一定のピッチで着磁された磁気トラックをもつそれぞれの磁気媒体が設けられ、前記各磁気媒体に対向して、前記各磁気トラックに感応する磁気検出素子が配置され、これらの磁気検出素子の出力信号に基づきトルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記入力軸の磁気媒体と前記出力軸の磁気媒体には、トルク検出用として各々少なくとも２つの磁気トラックを磁気位相差をもって形成した。
【００１１】
好ましくは、前記各磁気媒体には、着磁位相差を設けた少なくとも２つ磁気トラックのほかに、これらの磁気トラックにおける着磁パターンの周期の任意の回数を識別させるための磁気トラックを設ける。
（２）もう一つは、トーションバーを介して連結される第１の軸と第２の軸と、前記第１の軸もしくは第２の軸と共に回転し、前記第１の軸もしくは第２の軸に垂直な磁界に対して電磁誘導を生じるように配置された少なくとも１つ以上の可動コイルと、前記第１の軸もしくは第２の軸に対して相対的に固定され、前記第１の軸もしくは第２の軸に垂直な磁界に対して電磁誘導を生じるように配置された少なくとも１つ以上の固定コイルを設ける。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
まず、本発明の第１実施例に係るトルクセンサを図１、図５、６、７、８，９，１０，１１により説明する。
【００１４】
図１は第１実施例のトルクセンサの斜視図、図５はそのトルクセンサの断面図である。本実施例のトルクセンサは、一例として車両用ハンドルの回転軸（操舵軸）に加わるトルクを検出する磁気エンコーダ式のセンサを例示している。
【００１５】
ハンドル側へ接続される回転軸（入力軸；第１の軸）１と、タイヤ側へ接続される回転軸（出力軸；第２の軸）１５とが、トーションバー７を介して接続される。トーションバー７は、ハンドルから回転軸１，１５に働くトルクに応じて捩れる。
【００１６】
円筒形の磁気媒体（磁気ドラム）２は、回転軸１に支持され、回転軸１と共に回転する。磁気ドラム２の表面には、着磁することにより磁気トラック３，４，５，６が形成されている。
【００１７】
磁気ドラム８は、回転軸１５に支持され、回転軸１５と共に回転する。磁気ドラム８の表面には、着磁することにより磁気トラック９、１０，１１，１２，１３，１４が形成されている。
【００１８】
磁気ドラム２に対向して基板１６が配置される。基板１６には、磁気トラック３〜６に対応する複数の磁気検出素子３０〜３３と、磁気トラック３〜６を形成するための着磁用の磁気書き込みヘッド３４〜３７とが２列に配置されている。基板１６と磁気ドラム２間のギャップは、基板１６に固定された圧電素子１７，１８により調整可能としてある。
【００１９】
磁気ドラム８に対向して基板１９が配置される。基板１９には、磁気トラック９〜１４に対応する複数の磁気検出素子３８〜４３と、磁気トラック９〜１４を形成するための着磁用の磁気書き込みヘッド４４〜４９とが２列に配置されている。基板１９と磁気ドラム８のギャップは、基板１９に固定され圧電素子２０，２１により調整可能としてある。
【００２０】
磁気ドラム２における磁気トラック３，４，５，６の磁気パターンを図６により説明する。磁気トラック３は着磁ピッチλでＮ（極），Ｓ（極）を磁化した磁気パターンである。磁気トラック４は磁気トラック３と等しい着磁ピッチλでＮとＳを磁化しており、着磁トラック３とλ／４（９０度）の位相差をもつ磁気パターンである。
【００２１】
磁気トラック５は、着磁ピッチ２λでＮとＳを磁化した磁気パターンである。磁気トラック６は着磁ピッチ４λでＮとＳを磁化した磁気パターンである。
【００２２】
磁気ドラム８側の磁気トラック９，１０，１１，１２，１３，１４の磁気パターンについては、図示していないが、次のようになっている。
【００２３】
磁気トラック９は、磁気トラック３と同じ磁気パターンである。磁気トラック１０は磁気トラック４と同じ磁気パターンである。磁気トラック１１は磁気トラック５と同じ磁気パターンである。磁気トラック１２は磁気トラック６と同じ磁気パターンである。磁気トラック１３は着磁ピッチ８λでＮとＳを交互に磁化した磁気パターンである。磁気トラック１４は着磁ピッチ１６λでＮとＳを交互に磁化した磁気パターンである。
【００２４】
図７には、基板１６に配置した磁気検出素子３０〜３３と磁気書き込みヘッド３４〜３７の配列を示している。
【００２５】
磁気検出素子３０，３１，３２，３３は、磁気トラック３，４，５，６に対向するように配置され、磁気トラック３，４，５，６の磁気を検出する。磁気検出素子３０，３１，３２，３３にはホール素子、ＭＲ素子（磁気抵抗素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗素子）などが使用できる。
【００２６】
なお、磁気検出素子として磁気の極性に対する感度がなく磁気の大きさによってのみ出力が変化するタイプを使用した場合には、磁気トラック４及び磁気トラック１０の磁気トラック３及び磁気トラック９に対する位相はλ／８にする。
【００２７】
本実施例では、磁気検出素子３０〜３３に並んで磁気書き込みヘッド３４，３５，３６，３７を配置して、この磁気書き込みヘッド３４，３５，３６，３７によって磁気ドラム２に磁気トラック３，４，５，６を書き込むようにしている。このようにすれば、磁気トラック３，４，５，６と磁気検出素子３０，３１，３２，３３の位相ずれを無くすことができる。
【００２８】
磁気書き込みヘッド３４，３５，３６，３７と磁気検出素子３０，３１，３２，３３が別々に実装されていた場合には、例えば磁気書き込みヘッド３４，３５，３６，３７が右に傾いて磁気トラック３，４，５，６を着磁し、磁気検出素子３０，３１，３２，３３が左に傾いて取り付けられた場合、磁気トラック３，４，５，６と磁気検出素子３０，３１，３２，３３の間に位相ずれ生じ、検出誤差を生じることになる。磁気検出素子３０，３１，３２，３３と磁気書き込みヘッド３４，３５，３６，３７を同一基板に取り付けることでこの問題を解決することができる。図８には、基板１９に配置した磁気検出素子３８〜４３と磁気書き込みヘッド４４〜４９の配列を示している。
【００２９】
磁気検出素子３８，３９，４０，４１，４２，４３は、磁気トラック９，１０，１１，１２，１３，１４に対向するように配置され、磁気トラック９，１０，１１，１２，１３，１４の磁気を検出する。また、基板１６と同様に基板１９には磁気ドラム８に磁気トラック９，１０，１１，１２，１３，１４を着磁するための磁気書き込みヘッド４４，４５，４６，４７，４８，４９が配置され、この磁気書き込みヘッド４４，４５，４６，４７、４８，４９によって磁気ドラム８に磁気トラック９，１０，１１，１２，１３，１４を書き込むようにしている。こうすることで、磁気トラック９，１０，１１，１２，１３，１４と磁気検出素子３８，３９，４０，４１，４２，４３の位相ずれを無くすようにしている。また、磁気トラック３，４，５，６と磁気トラック９，１０，１１，１２，１３，１４への書き込みを同時に行うことで、磁気トラック３，４，５，６に対する磁気検出素子３０，３１，３２，３３の配置と、磁気トラック９，１０，１１，１２，１３，１４に対する磁気検出素子３８，３９，４０，４１，４２，４３の配置とを相対的に同じにすることができる。このことは後に述べるトルクの検出精度を向上させることに寄与する。
【００３０】
次に、磁気検出素子３０，３１，３２，３３の出力信号を図９により説明する。
【００３１】
磁気ドラム２が回転すると、磁気検出素子３０の出力は図９に示すように正弦波状に変化する。磁気検出素子３１の出力は磁気検出素子３１の出力に対して電気角で９０度の位相差を持って、正弦波状に変化する。
【００３２】
磁気検出素子３２の出力は、磁気検出素子３０の出力の２倍の周期であり、方形波状に変化する。出力波形の方形波は、磁気検出素子の感度が飽和する程度に磁気トラック５の書き込み磁界を大きくするか、磁気検出素子３２の感度を大きくすることにより得られる。
【００３３】
磁気検出素子３３は磁気検出素子３０の出力の４倍の周期であり、その出力波形は上記同様にして方形波としている。
【００３４】
一方、磁気検出素子３８については、図示されていないが、磁気検出素子３０と同様な波形が磁気ドラム８の回転と共に出力される。磁気検出素子３９については、磁気検出素子３１と同様な波形が、磁気検出素子４０については磁気検出素子３２と同様な波形が、磁気検出素子４１については磁気検出素子３３と同様な波形が、磁気検出素子４２については磁気検出素子３８の８倍の周期の方形波が、磁気検出素子４３については磁気検出素子３８の１６倍の周期の方形波が出力されるようにしている。
【００３５】
磁気検出素子３２と３３の出力信号は、磁気検出素子３０、３１の出力信号の４周期分を識別させるための２値信号である。具体的には、磁気検出素子３２、３３の２値信号“１，１”、“０，１”、“１，０”“０，０”により磁気検出素子３０、３１の出力信号の４周期を識別できる。換言すれば、図６に示す磁気トラック５、６の磁気パターンは、磁気トラック３、４の着磁ピッチλの４ピッチ分（４λ）を識別させるためのものである。また、磁気検出素子４０と４１の出力信号は、磁気検出素子３８、３９の４周期分を識別させるための２値信号である。換言すれば、磁気トラック１１、１２の磁気パターンは、磁気トラック９、１０の着磁ピッチλの４ピッチ分（４λ）を識別させるためのものである。捩れ角については、磁気ドラム２の回転角（磁気検出素子３０、３１の出力信号の周期とそのアークタンジェントを計算することで求まる）と磁気ドラム８の回転角（磁気検出素子３８、３９の出力信号の周期とそのアークタンジェントを計算することで求まる）との差により求められる。
【００３６】
こうすることで、磁気ドラム２、８の回転に応じて正弦波状に変化する磁気検出素子３０と３１、３８と３９の出力波形を４周期分検出することができる。つまり、４周期分の角度の変化を検出することができ、捩れ角の最大を出力信号の４周期（４着磁ピッチ）によって取ることができる。
【００３７】
このことは、逆にいえば、図２に示す従来のトルクセンサの磁気トラックの着磁ピッチに比べて着磁ピッチを１／４にできることを意味する。したがって、磁気ドラムにおける１ピッチ分の極率は、従来に比べて１／４となるので、磁気検出素子３０の出力信号に磁気ドラム２の丸みの影響が働くことを相対的に減らせる（この丸みは、磁気検出素子の波形が正弦波からずれたり、ひずみが生じる原因となる）。すなわち、着磁ピッチを小さくすることで、磁気検出素子３０の出力信号の正弦波波形のずれ、ひずみを減らすことができる。
【００３８】
また、従来のように、２個の磁気検出素子の間隔を着磁ピッチλのλ／４ずらす手法ではなく、複数の磁気トラックをλ／４ずらす方法で、各磁気ドラムの回転角を検出する方式を採用した。こうすることで、従来例では２つの磁気検出素子の間隔を最低λ／４必要とするため、基板１６のサイズはλ／４で制限されるが、本実施例ではλ／４で制限されない。このため、基板１６のサイズを従来例よりも小さくすることができる。
【００３９】
次に、本実施例のトルクセンサの信号処理回路を図１０により説明する。
【００４０】
本信号処理回路は、演算器５０が磁気検出素子３０，３１の信号の比を演算し、これのアークタンジェントを演算する。乗算器５１は、磁気検出素子３２の出力を２倍にする。乗算器５２は、磁気検出素子３３の出力を４倍にする。乗算器５１，５２は、磁気検出素子３２，３３の出力を重み付けするものである。
【００４１】
磁気ドラム２の回転角は、演算器５０の出力と乗算器５１，５２の出力の合計を加算器５３により演算することにより求められる。
【００４２】
一方、演算器５４は、磁気検出素子３８，３９の信号の比を演算し、これのアークタンジェントを演算する。乗算器５５は、磁気検出素子４０の出力を２倍にする。乗算器５６は、磁気検出素子４１の出力を４倍にする。演算器５４の出力と乗算器５５，５５の出力の合計が加算器５９により演算されることにより、磁気ドラム８の回転角が求まる。
【００４３】
引き算器６０は、加算器５３と加算器５９の出力の差を演算し、磁気ドラム２と磁気ドラム８の回転角度の差つまりトーションバー７の捩れ角度（トルクに依存する）を出力する。
【００４４】
乗算器５７は、磁気検出素子４２の出力を８倍にし、乗算器５８は、磁気検出素子４３の出力を１６倍にする。
【００４５】
加算器６１は、加算器５９の出力と乗算器５７，５８の出力の合計を演算し、磁気ドラム８の回転角を出力する。
【００４６】
上記構成によれば、トルク出力だけでなくハンドルの操舵角も出力することができる。なお、磁気ドラム８に配置した磁気トラックとこの磁気トラックに対向する磁気検出素子を追加することで容易にハンドルの操舵角の検出範囲を３６０度まで広げることが可能である。
【００４７】
次に、本実施例のトルクセンサの磁気ドラム２と基板１６のギャップの調整機構について説明する。
【００４８】
ギャップの調整機構は、図１１に示すように、ギャップ演算器６２が磁気検出素子３０、３１の出力の２乗の和を演算し、この値から磁気ドラム２と基板１６のギャップを検出する。圧電素子制御部６３は、前記ギャップ検出値が一定になるように圧電素子１７，１８に印加する電圧を制御して、磁気ドラム２と基板１６のギャップを一定になるように制御している。このように磁気ドラム２と基板１６のギャップを一定に保つことで磁気検出素子の信号の安定化を図ることができる。なお、圧電素子１７，１８を各々制御することで基板１６の傾きも制御することが可能である。
【００４９】
なお、磁気ドラム８と基板１９のギャップ調整機構も図１１同様に構成される。
【００５０】
本実施例では、磁気ドラム２，８の近辺に、それぞれ別個に形成した基板１６，１９を各磁気ドラム２，８と対向させて配置している。一方、従来技術では、一つの基板に磁気ドラム２，８に対向する磁気検出素子を設けていた。
【００５１】
従来の一つの基板方式では、基板を小さくするためには、磁気ドラム２，８を近接して配置する必要があるために、トーションバーの撓み防止等について複雑な構造を要した。また、磁気ドラム２，８を近接して配置させるためにトーションバー７が短くなりトルクによる捩れ量が小さくなる問題も生じた。また、磁気ドラム２，８を近接させるにも限界があり、従来技術では磁気検出素子を配置する基板が非常に大きくなってしまった。
【００５２】
これに対して、本トルクセンサでは、図５に示すように回転軸１，１５及びトーションバー７を支持するベアリング２６，２７，２８，２９を容易に配置することができる。これにより、トーションバー７を長くし、トルクにより生じる捩れ量を容易に大きくすることができる。また、これらのベアリングの支持構造により、トーションバー７の機械的たわみを抑制し、それによって生じる磁気ドラム２，８と基板１６，１９間のギャップの変動も微少に抑えることができる。
【００５３】
次に、第１実施例のトルクセンサの変形例を説明する。
【００５４】
図１２は第１の変形例における磁気トラック３，４，５，６の磁気パターン、図１３は、その信号処理回路の構成である。
【００５５】
本例では、図１２に示すように、磁気トラック３，４の着磁パターンは、先に述べた実施例のトルクセンサと同じであるが、磁気トラック５，６についてはグレイコードを採用することでハザードの影響を無くすようにした。
【００５６】
このため、図１３に示す信号処理回路にはグレイコードから２進コードへ変化するデコーダ６４を設けた。なお、磁気トラック１１，１２，１３，１４についても同様にグレイコード化しハザード対策を行い、信号処理回路にはグレイコードから２進コードへ変化するデコーダ６５を設けた。
【００５７】
次に、第１実施例の第２の変形例を図１４により説明する。
【００５８】
図１４は第２変形例の磁気トラック３，４，５，６の磁気パターンである。
【００５９】
本例は、各磁気ドラム２，８に各々形成される２以上の磁気トラックに、トラック同士の着磁方向が異なる磁気トラックを存在させた。これに対応する磁気検出素子は特定の着磁方向に感応する磁気検出素子が用いられる。
【００６０】
具体的には、磁気トラック３は、トラックに水平な磁界の方向で互いに反転しあうように磁化された着磁部が交互に繰り返し形成してなる。磁気トラック４は、磁気トラック３と同様の磁化パターンであり、磁気トラック３に対して着磁ピッチλ／４の位相をずらしてある。磁気トラック５は、磁気トラック３，４と垂直方向に着磁され、その着磁ピッチは２λである。磁気トラック６は、磁気トラック３，４と垂直方向に着磁され、その着磁ピッチを４λにした。また、本実施例では磁気検出素子３０，３１には異方性のあるＭＲ素子のような磁気検出素子を使用し、磁気トラック３に着磁した磁化方向の磁力に反応するようにＭＲ素子の方向を配置した。また、磁気検出素子３２，３３にも異方性のあるＭＲ素子のような磁気検出素子を使用し、磁気トラック５に着磁した磁化方向の磁力に反応するようにＭＲ素子の方向を配置した。こうすることで、磁気トラック５，６の磁力が磁気検出素子３２，３３へ影響することを最小になるようにした。これは、磁気検出素子３２，３３の磁気を検出する方向と磁気トラック５，６への着磁の方向を９０度ずらすことで達成されている。
【００６１】
次に、第１実施例の第３変形例を図１５、１６、１７により説明する。
【００６２】
図１５は本例に係る磁気トラック３，４，５，６の磁気パターン、図１６は本例における基板１６に配置した磁気検出素子の配置図、図１７は本例に係る磁気検出素子３０，３１，３２，３３，６６，６７の出力を示す図である。
【００６３】
本例の磁気トラック３，４は、図１５に示すように第１実施例のトルクセンサと同じである。磁気トラック５，６の着磁パターンについては、グレイコードを採用し、状態“１”をＮ−Ｓの極性で磁化することで示し、状態“０”を磁化しないことで示している。
【００６４】
このようにすることで、ＭＲ素子のように基板１６に対して平行方向の磁界に対して感度よく反応する磁気検出素子に対しても、上位コードを形成することができる。
【００６５】
磁気トラック５と６の着磁パターンは、“Ｎ−Ｓ−Ｎ−Ｓ”が間欠的に電気角７２０度の間隔で磁化されており、磁気トラック５，６間の着磁位相差は３６０度である。
【００６６】
基板１６には、図１６に示すように、第１実施例同様に磁気検出素子３０，３１，３２，３３と磁気書き込みヘッド３４，３５，３６，３７を配置している。更に磁気検出素子６６，６７を設けた。磁気検出素子６６は、磁気検出素子３２に対して電気角で９０度ずらして配置されている。磁気検出素子６７は、磁気検出素子３３に対して電気角で９０度ずらして配置されている。
【００６７】
図１７に示すように、磁気検出素子３０，３１の出力は、第１の実施例と同様である。
【００６８】
磁気検出素子３２の出力は、磁気トラック５の磁化されたところでは交番信号が出力し、磁化されていないところでは出力零となる。また、磁気検出素子６６の出力は、磁気検出素子３２の出力に対して電気角で９０度位相がずれる。
【００６９】
そして、信号処理部で磁気検出素子３２の出力を全波整流した信号と、磁気検出素子６６の出力信号を全波整流した信号との和を求めることで、図１７に示すような合成出力を得る。
【００７０】
磁気検出素子３３の出力は、磁気検出素子３２同様に磁気トラック６の磁化されたところでは交番信号が出力し、磁化されていないところでは出力零となる。また、磁気検出素子６７の出力は、磁気検出素子３３の出力に対して電気角で９０度位相がずれる。そして、信号処理部で磁気検出素子３３の出力を全波整流した信号と、磁気検出素子６７の出力信号を全波整流した信号との和を求めることで、図１７に示すような合成出力が得られる。
【００７１】
本例においても、磁気検出素子３２，６６の合成出力と、磁気検出素子３３，６７の合成出力とを用いて、磁気検出素子３０の４周期（４λ）分の信号を認識することができる。すなわち、先に述べた実施例同様に４λで捩れ角の最大を示すことができ、トルク検出精度を高めることができる。
【００７２】
次に、第１実施例の第４変形例を図１８、１９、２０により説明する。
【００７３】
図１８は本例に係る磁気トラック３，４，５，６の磁気パターン、図１９は本例における基板１６に配置した磁気検出素子の配置図、図２０は本例に係る磁気検出素子３０，３１，３２，３３の出力を示す図である。
【００７４】
本例では、図１８に示すように磁気トラック３を斜めに磁化した。この場合、トラック３を斜めに磁化するために、図１９に示すように磁気書き込みヘッド３４の形状を斜めにした。磁気トラック３、４の着磁ピッチはλ、磁気トラック５の着磁ピッチは２λ、磁気トラック６の着磁ピッチは４λである。
【００７５】
磁気検出素子３０の出力は図２０に示すように三角波状に変化する。また、磁気検出素子３１，３２，３３は磁気検出素子の三角波の周期数を表すコードを出力する。このように三角波を出力することで、第１実施例のように正弦波を出力するのと比べて、角度の計算を容易にすることができる。
【００７６】
次に、本発明の第２実施例に係るトルクセンサを、図２１、２２、２３、２４、２５により説明する。
【００７７】
図２１は第２実施例に係るトルクセンサの斜視図、図２２はそのトルクセンサに用いる可動コイル６９と固定コイル７０，７１との位置関係を示す配置図、図２３は本実施例のトルクセンサの信号処理回路を示す図、図２４はそのタイミングチャート、図２５は固定コイル７０，７１の出力を示す図である。
【００７８】
本実施例は、基本的には、回転軸の回転角度を電磁誘導作用によって検出し、トルクについては、回転軸に設けた歪センサで検出するものであり、また、歪センサの駆動を前記電磁誘導作用により生じる電力を利用して行うようにしてある。
【００７９】
図２１に示すように、回転軸６８はハンドルへ接続され、回転軸７４はタイヤへ接続される。回転軸６８と回転軸７４とは、回転板８３を介して接続される。固定コイル７０と７１は、回転板８３の近辺に互いに９０度間隔で配置されている。回転板８３には、回転軸６８，７４と共に回転する可動コイル６９と、信号処理回路を収納する容器７３が設けられている。
【００８０】
回転軸６８には歪センサ７２が設けられており、回転軸６８のトルクにより生じる機械的な歪みは、歪みセンサ７２により検出される。
【００８１】
固定コイル７０，７１と可動コイル６９の位置関係は、回転軸を中心に上から見ると図２２に示すようになり、固定コイル７０，７１は互いに直角方向になるように配置している。
【００８２】
次に、本実施例の信号処理回路について図２３により説明する。
【００８３】
図２３において、発振器７５は、動作モード（図２４で示す期間１と期間２との繰り返しモード）を決定する信号を出力する。発振器７６は、期間１で固定コイル７０，７１を駆動するための信号を発生し、期間２でオフする。また、固定コイル７０，７１には、期間２で可動コイル６９に駆動部８２を介して印加される信号により誘導電圧が生じ、この誘導される信号が周波数検出回路７７と振幅比検出回路７８に入力されるようにしてある。
【００８４】
歪みセンサ７２の出力は、調整回路８０によりゼロ点とスパンが調整された後、その調整回路８０の出力が周波数変換部８１により歪センサ出力に応じた周波数に変換される。この周波数信号（歪検出信号）が駆動部８２を介して可動コイル６９に印加される。電源回路７９のエネルギー源は、期間１で得られる可動コイル６９の誘起電圧を利用している（この点については、後述する）。
【００８５】
電源回路７９は、歪みセンサ７２、調整回路８０、周波数変換部８１、駆動部８２を動作させる電力を供給する。なお、電源回路７９、調整回路８０、周波数変換部８１、駆動部８２は容器７３に収納されている。
【００８６】
次に、本実施例のトルクセンサの動作を図２４のタイムチャートを用いて説明する。
【００８７】
本トルクセンサは期間１と期間２を繰り返すことにより動作する。この期間１と期間２の選択は発振器７５の出力信号により選択される。
【００８８】
まず、期間１においては、発振器７６の出力信号で固定コイル７０，７１を駆動する。固定コイル７０，７１が発振器７６の出力信号で駆動されることで、可動コイル６９には固定コイル７０，７１からの電磁誘導により電圧が発生する。なお、ここで固定コイル７０，７１は互いに直交方向に配置されているので、回転軸６８がどのように回転しても可動コイル６９に安定した電圧を誘導させることができる。
【００８９】
可動コイル６９に誘導した電圧は、電源回路７９で整流充電され、電源回路７９から歪みセンサ７２、調整回路８０、周波数変換部８１、駆動部８２を動作させる電力が供給される。
【００９０】
回転軸６８に加わるトルクは、歪みセンサ７２で検出され、その検出信号は、調整回路８０でゼロ点とスパン調整され、周波数変換部８１で周波数信号に変換される。駆動部８２は可動コイル６９の誘導電圧が無くなるのを待ち、可動コイル６９を周波数変換部８１からの出力周波数で駆動する。
【００９１】
従って、本トルクセンサの動作が期間２に移行し且つ固定コイル７０，７１の駆動信号が停止するのを待って、駆動部８２は可動コイル６９を駆動する。可動コイル６９が駆動されると固定コイル７０，７１に電磁誘導により誘導電圧が発生する。この信号の周波数は可動コイル６９を駆動した信号の周波数と一致している。つまり、歪みセンサ７２の信号に応じた信号になる。従って、この固定コイル７０，７１の誘導電圧の周波数を周波数検出回路７７で検出することでトルクに応じた信号を出力することができる。また、固定コイル７０，７１は互いに直交しているため、固定コイル７０，７１の誘導電圧は図２５に示すようにハンドル角に応じて正弦波状に変化し、固定コイル７０，７１の誘導電圧はハンドル角に対して９０度の位相差を持つ。従って、固定コイル７０，７１の誘導電圧の振幅比を振幅比検出回路７８で検出することでハンドル角に応じた出力を出力することができる。
【００９２】
次に、本発明のトルクセンサを使用した電動パワーステアリングシステムの構成を図２６により説明する。なお、図２６は、前述した本発明のトルクセンサを使用した電動パワーステアリングシステムの構成図である。
【００９３】
本電動パワーステアリングシステムはハンドル８３と、ハンドルの回転を伝達する回転軸（操舵軸）８４と、本発明のトルクセンサ８５と、回転軸８４の回転をアシストするモータ８７と、トルクセンサ８５のトルクとハンドル角の信号からモータ８７を制御する信号を発生する制御回路８６と、タイヤ８８により構成される。
【００９４】
電動パワーステアリングシステムにおいては、本発明のトルクセンサ８５を使用しているため、非接触でトルクとハンドル角を検出できるので、高信頼度で接触摩擦による損失のない電動パワーステアリングシステムを構築できる。
【００９５】
【発明の効果】
本発明によれば、非接触でハンドルの操舵トルクのような静止トルクを高精度で検出でき、且つ、ハンドル角も同時に検出できるので、高精度で高信頼度なトルクセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例のトルクセンサの斜視図。
【図２】従来の磁気エンコーダ方式トルクセンサの原理を示す説明図。
【図３】図２に用いるＭＲ素子２３，２４の出力を示すタイムチャート。
【図４】従来のトルクセンサの出力特性図。
【図５】第１実施例のトルクセンサの断面図。
【図６】第１実施例の磁気トラック３，４，５，６の磁気パターンを示す図。
【図７】第１実施例の基板１６に磁気検出素子を配置した図。
【図８】基板１９に配置した磁気検出素子を配置した図。
【図９】第１実施例の磁気検出素子３０，３１，３２，３３の出力を示す図。
【図１０】第１実施例のトルクセンサの信号処理回路を示す図。
【図１１】第１実施例の磁気トラック，磁気検出素子間のギャップ調整機構を示す図。
【図１２】第１実施例の第１変形例に係る磁気トラック３，４，５，６の磁気パターンを示す図。
【図１３】上記変形例の信号処理回路を示す図。
【図１４】第２変形例の磁気トラック３，４，５，６の磁気パターンを示す図。
【図１５】第３変形例の磁気トラック３，４，５，６の磁気パターンを示す図。
【図１６】第３変形例の基板１６に磁気検出素子を配置した図。
【図１７】第３変形例の磁気検出素子３０，３１，３２，３３、６６，６７の出力を示す図。
【図１８】第４変形例の磁気トラック３，４，５，６の磁気パターンを示す図。
【図１９】第４変形例の基板１６に磁気検出素子を配置した図。
【図２０】第４変形例の磁気検出素子３０，３１，３２，３３の出力を示す図。
【図２１】第２の実施例のトルクセンサの斜視図。
【図２２】第２の実施例のトルクセンサの可動コイル６９と固定コイル７０，７１の配置図。
【図２３】第２の実施例の信号処理回路を示す図。
【図２４】第２の実施例のタイミングチャート。
【図２５】第２の実施例に用いる固定コイル７０，７１の出力を示す図。
【図２６】本発明のトルクセンサを使用した電動パワーステアリングシステムの構成図。
【符号の説明】
１…回転軸、２…磁気ドラム、３〜６…磁気トラック、７…トーションバー、８…磁気ドラム（磁気媒体）、９〜１４…磁気トラック、１５…回転軸、１６…基板、１７，１８…圧電素子、１９…基板、２０，２１…圧電素子、２３…ＭＲ素子、２４…ＭＲ素子、２５…磁気ドラム、２６〜２９…ベアリング、３０…磁気検出素子〜３３…磁気検出素子、３４〜３７…磁気書き込みヘッド、３８〜４３…磁気検出素子、４４〜４９…磁気書き込みヘッド、６８…回転軸、６９…可動コイル、７０…固定コイル、７１…固定コイル、７２…歪みセンサ。

Claims

トーションバーを介して連結される入力軸と出力軸とに、一定のピッチで着磁された磁気トラックをもつそれぞれの磁気媒体が設けられ、前記各磁気媒体に対向して、前記各磁気トラックに感応する磁気検出素子が配置され、これらの磁気検出素子の出力信号に基づきトルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記入力軸の磁気媒体と前記出力軸の磁気媒体には、トルク検出用として各々少なくとも２つの磁気トラックが磁気位相差をもって形成されていることを特徴とするトルクセンサ。
トーションバーを介して連結される第１の軸と第２の軸と、前記第１の軸と共に回転し、一定のピッチで着磁された磁気トラックもつ第１の磁気媒体と、前記第２の軸と共に回転し、一定のピッチで着磁された軸トラックをもつ第２の磁気媒体と、前記第１の磁気媒体の磁気トラックに感応するよう配置された第１の磁気検出素子と、前記第２の磁気媒体の磁気トラックに感応するよう配置された第２の磁気検出素子と、を備え、前記第１、第２の磁気検出素子の出力信号に基づきトルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記第１の磁気媒体と前記第２の磁気媒体には、各々少なくとも２つの磁気トラックが形成され、前記各磁気媒体の少なくとも２つの磁気トラックは、着磁ピッチが等しくかつ磁気位相差をもって形成されていることを特徴とするトルクセンサ。
前記各磁気媒体の２つの磁気トラックの着磁位相差が着磁ピッチの１／４である請求項１又は２記載のトルクセンサ。
前記各磁気媒体には、着磁ピッチの１／４の着磁位相差を設けた２つの磁気トラックのほかに、着磁ピッチが、前記磁気トラックの２倍及び４倍の磁気トラックを有する請求項１又は２記載のトルクセンサ。
前記各磁気媒体には、着磁位相差を設けた少なくとも２つの磁気トラックのほかに、これらの磁気トラックにおける着磁パターンの少なくとも４以上の周期の数まで識別させるための磁気トラックが設けてある請求項１又は２記載のトルクセンサ。
前記各磁気媒体には、着磁位相差を設けた少なくとも２つの磁気トラックと、グレイコードを示す複数の磁気トラックが設けてある請求項１又は２記載のトルクセンサ。
前記各磁気媒体の磁気トラックに対応する磁気検出素子群は、磁気媒体ごとに別々に形成された基板に配置されている請求項１又は２記載のトルクセンサ。
前記各磁気媒体の磁気トラックに対応する磁気検出素子群は、磁気媒体ごとに別々に形成された基板に配置され、かつ前記各基板は、磁気検出素子と磁気トラック間のギャップを自動的に調整する手段を有する請求項１又は２記載のトルクセンサ。
前記磁気検出素子を支持する基板には、その読み取り対象となる前記各磁気トラックを前記各磁気媒体に着磁するための磁気書き込みヘッドを備えている請求項１又は２記載のトルクセンサ。
前記各磁気媒体に各々形成される２以上の磁気トラックは、トラック同士の着磁方向が異なる磁気トラックが存在し、これに対応する磁気検出素子は特定の着磁方向に感応する磁気検出素子が用いられている請求項１又は２記載のトルクセンサ。
トーションバーを介して連結される入力軸と出力軸とに、一定のピッチで着磁された磁気トラックをもつそれぞれの磁気媒体が設けられ、前記各磁気媒体に対向して、前記各磁気トラックに感応する磁気検出素子が配置され、これらの磁気検出素子の出力信号に基づきトルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記各磁気媒体には、着磁位相差を設けた少なくとも２つの磁気トラックと、これらの磁気トラックにおける着磁パターンの少なくとも４以上の周期の数まで識別可能にし磁気トラックとが設けられ、
前記着磁位相差を設けた磁気トラックの検出信号と前記周期の数を識別可能にした磁気トラックの検出信号により前記入力軸及び出力軸に加わるトルクを演算する演算ユニットを備えることを特徴とするトルクセンサ。
回転軸の回転角度を電磁誘導作用によって検出し、前記回転軸に加わるトルクについては、回転軸に設けた歪センサで検出し、前記歪センサの駆動を前記電磁誘導作用により生じる電力を利用して行うようにしてあることを特徴とするトルクセンサ。
トーションバーを介して連結される第１の軸と第２の軸と、
前記第１の軸と第２の軸の間に加わるトルクを前記トーションバーに生じる捩れ角度により検出するトルクセンサにおいて、
前記第１の軸もしくは第２の軸と共に回転し、前記第１の軸もしくは第２の軸に垂直な磁界に対して電磁誘導を生じるように配置された少なくとも１つ以上の可動コイルと、
前記第１の軸もしくは第２の軸に対して相対的に固定され、前記第１の軸もしくは第２の軸に垂直な磁界に対して電磁誘導を生じるように配置された少なくとも１つ以上の固定コイルを有することを特徴とするトルクセンサ。
前記固定コイルが少なくとも２つ以上あり、互いに異なる方向の磁界に対して電磁誘導を生じるように配置した請求項１３記載のトルクセンサ。
前記第１、第２の軸のトルクを検出する歪センサを有し、前記固定コイルに期間１のモードで交流電圧を印加する固定コイル駆動手段と、前記固定コイルへの電圧印加により前記可動コイルに交流電圧を誘導しこの交流電圧を直流に変換して蓄電する蓄電手段と、期間２のモードで前記蓄電手段の電力により前記歪センサの出力を前記可動コイルに交流電圧により印加する可動コイル駆動手段とを備え、この可動コイルの交流電圧印加により前記固定電圧が誘導されてトルク出力信号を取り出すようにした請求項１３記載のトルクセンサ。
前記トーションバーの捩れ角度を検出する検出手段と、前記検出手段の出力を周波数に変換する周波数変換手段と、周波数変換手段の出力周波数で、前記可動コイルに電圧を印加する手段と、前記可動コイルの電圧印加により前記固定コイルに誘導電圧を生じさせこの誘導電圧の周波数を計測する手段とを有する請求項１３記載のトルクセンサ。
少なくとも２つ以上の固定コイルに誘導する誘導電圧の電圧比を計測する手段を有する請求項１３記載のトルクセンサ。
ハンドルの回転を回転軸を介してタイヤに伝達し、前記回転軸の少なくともトルクを検出し、この検出信号に基づきハンドル操作を補助するモータを制御する電動パワーステアリング装置において、
前記トルクの検出は、トーションバーを介して連結される２つの回転軸のそれぞれに設けた複数の磁気ドラムにそれぞれ位相差をもった複数の磁気トラックを設けて非接触磁気エンコーダ方式により行うように設定されている電動パワーステアリング装置。
ハンドルの回転を回転軸を介してタイヤに伝達し、前記回転軸の少なくともトルクを検出し、この検出信号に基づきハンドル操作を補助するモータを制御する電動パワーステアリング装置において、
前記トルクの検出は、前記回転軸の歪を検出し、この検出信号を前記回転軸に設けた可動コイルから前記回転軸の周囲に配置した少なくとも２つの固定コイルへの電磁誘導により取り出すように構成したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。