JP5071742B2 - トルク検出装置 - Google Patents

Description

本発明は弾性部材を介して接続された入力軸及び出力軸を有する回転軸の軸トルクを検出するトルク検出装置に関する。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、ステアリングホイールの操作によりステアリングシャフトに加わる操舵トルク及びステアリング操作時の車速に基づいて電動モータを駆動し、ウォーム歯車減速機構等を介してステアリングシャフトに操舵補助力を付与する制御装置である。車両挙動安定制御の高機能化に伴い、ステアリングホイールの操舵角及び操舵方向を検出し、これらの検出情報を横滑り防止装置（ＥＣＳ）の制御信号として利用する車両も開発されている。従来は、ステアリングシャフトの操舵トルクを検出するためのトルクセンサと、ステアリングホイールの操舵角及び操舵方向を検出するためのセンサは、同一シャフト上に近接配置されているにも関わらず、用途が異なるために別々に搭載されている。近年の車両のインテリジェンス化に伴い、複数のセンサの一体化による省スペース化、高機能化の実現が要求されている。例えば、特開２００１−１９４２５１号公報には、ステアリングシャフトに加わる操舵トルクを検出するセンサと、ステアリングホイールの操舵角を検出するセンサとを一体化するパワーステアリング検出装置が提案されている。このパワーステアリング検出装置は、ステアリングシャフトの捩れによる位相差を検出するための二つのレゾルバと、ステアリングシャフトの絶対角を検出するためのアブソリュートレゾルバとを備える。

特開２００１−１９４２５１号公報

しかし、同公報に開示のパワーステアリング検出装置では、ステアリングシャフトの操舵トルクを検出するための手段として、二つのレゾルバを用いているため、センサ構造が大規模かつ複雑なものとなり、小型化かつ低コスト化が要求される車載センサには不向きである。

そこで、本発明は、簡易な構造で回転軸の軸トルクを検出できるトルク検出装置を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わるトルク検出装置は、弾性部材を介して相互に接続される入力軸及び出力軸を備える回転軸の軸トルクを検出するためのトルク検出装置であって、入力軸に固定される第一の回転体であって、第一の回転体の回転中心を通る直線が第一の回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である第一の回転体と、第一の回転体の外周付近に配置される第一の磁気センサであって、第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する第一の回転体の外周と第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第一の検出信号を出力する第一の磁気センサと、第一の磁気センサと第一の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、第一の回転体の回転中心と第一の磁気センサとの距離に等しい距離だけ第一の回転体の回転中心から離れた位置に配置される第二の磁気センサであって、第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する第一の回転体の外周と第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第二の検出信号を出力する第二の磁気センサと、第一の検出信号と第二の検出信号とを差動演算する第一の差動演算手段と、第一の磁気センサと第一の回転体の回転中心とを結ぶ直線に直交する直線上において、第一の回転体の回転中心と第一の磁気センサとの距離に等しい距離だけ第一の回転体の回転中心から離れた位置に配置される第三の磁気センサであって、第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する第一の回転体の外周と第三の磁気センサとの間の第三の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第三の検出信号を出力する第三の磁気センサと、第三の磁気センサと第一の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、第一の回転体の回転中心と第三の磁気センサとの距離に等しい距離だけ第一の回転体の回転中心から離れた位置に配置される第四の磁気センサであって、第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する第一の回転体の外周と第四の磁気センサとの間の第四の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第四の検出信号を出力する第四の磁気センサと、第三の検出信号と第四の検出信号とを差動演算する第二の差動演算手段と、第一及び第二の差動演算手段が差動演算した結果に基づいて、入力軸の一回転以内の絶対角を算出する第一の角度算出手段と、出力軸に固定される第二の回転体であって、第二の回転体の回転中心を通る直線が第二の回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である第二の回転体と、第二の回転体の外周付近に配置される第五の磁気センサであって、第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する第二の回転体の外周と第五の磁気センサとの間の第五の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第五の検出信号を出力する第五の磁気センサと、第五の磁気センサと第二の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、第二の回転体の回転中心と第五の磁気センサとの距離に等しい距離だけ第二の回転体の回転中心から離れた位置に配置される第六の磁気センサであって、第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する第二の回転体の外周と第六の磁気センサとの間の第六の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第六の検出信号を出力する第六の磁気センサと、第五の検出信号と第六の検出信号とを差動演算する第三の差動演算手段と、第五の磁気センサと第二の回転体の回転中心とを結ぶ直線に直交する直線上において、第二の回転体の回転中心と第五の磁気センサとの距離に等しい距離だけ第二の回転体の回転中心から離れた位置に配置される第七の磁気センサであって、第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する第二の回転体の外周と第七の磁気センサとの間の第七の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第七の検出信号を出力する第七の磁気センサと、第七の磁気センサと第二の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、第二の回転体の回転中心と第七の磁気センサとの距離に等しい距離だけ第二の回転体の回転中心から離れた位置に配置される第八の磁気センサであって、第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する第二の回転体の外周と第八の磁気センサとの間の第八の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第八の検出信号を出力する第八の磁気センサと、第七の検出信号と第八の検出信号とを差動演算する第四の差動演算手段と、第三及び第四の差動演算手段が差動演算した結果に基づいて、出力軸の一回転以内の絶対角を算出する第二の角度算出手段と、回転軸の回転に連動して変化し、回転軸の回転数を判定する指標となる第九の検出信号を出力する第九の磁気センサと、入力軸の一回転以内の絶対角、回転軸の回転数、及び出力軸の一回転以内の絶対角に基づいて軸トルクを演算する演算手段と、を備える。

本発明によれば、磁気センサを用いて入力軸と出力軸との位相差を検出するので、トルク検出装置の小型化、低コスト化に資することができる。

本発明によれば、簡易な構造で回転軸の軸トルクを検出できるトルク検出装置を提供できる。

実施例１に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す説明図である。 実施例１に係るステアリングセンサの断面図である。 図２の３−３線矢視断面図である。 図２の４−４線矢視断面図である。 図２の５−５線矢視断面図である。 実施例１に係るステアリングセンサの機能構成を示す説明図である。 磁気抵抗効果素子の出力特性を示すグラフである。 回転体の回転角度に対する磁束密度の変化を示すグラフである。 対角配置された一対の磁気センサから出力される二つの検出信号を示すグラフである。 対角配置された一対の磁気センサから出力される二つの検出信号を差動演算して成る信号を示すグラフである。 回転体の絶対角と電圧値との対応関係を示すマップデータである。 ステアリングシャフトの回転数を検出する磁気センサの出力信号波形である。 二つの回転体の絶対角の初期位相差及び電圧値の初期差分を示すグラフである。 二つの回転体の位相差から操舵トルクを求めるためのマップデータである。 回転体の平面形状の算出方法を示す説明図である。 ａ＝０．９のときの楕円関数Ｈ（Ｘ，Ｙ）のグラフである。 ａ＝１．５のときの楕円関数Ｈ（Ｘ，Ｙ）のグラフである。 ａ＝０．５のときの楕円関数Ｈ（Ｘ，Ｙ）のグラフである。 実施例２に係る電動パワーステアリング装置の概略構成を示す説明図である。 回転体と磁気センサとの配置関係を示す説明図である。 キャリブレーション実施前のｃｏｓ信号及びｓｉｎ信号を示すグラフである。 ｃｏｓ信号の振幅補正及びオフセット補正を示す説明図である。 ｓｉｎ信号の振幅補正及びオフセット補正を示す説明図である。 ｃｏｓ信号のデジタルサンプリングを示す説明図である。 ｓｉｎ信号のデジタルサンプリングを示す説明図である。 変換テーブルの説明図である。 ｃｏｓ信号及びｓｉｎ信号の読み込み範囲を示す説明図である。 リニア出力値のグラフである。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施例について説明する。同一の部材については、同一の符号を付すものとし、重複する説明を省略する。

図１は、本実施例に係わる電動パワーステアリング装置２００の概略構成を示す説明図である。電動パワーステアリング装置２００は、ステアリングシャフト６０に加えられる操舵トルク及びステアリング操作時の車速に基づいて操舵補助力を電気的に制御するための制御機構である。ステアリングシャフト６０は、所定の捩れ−トルク特性を有する弾性部材から成るトーションバー６３と、トーションバー６３の入力側に接続された入力軸６１と、トーションバー６３の出力側に接続された出力軸６２とを備える回転軸である。入力軸６１と出力軸６２は互いに同軸配置されているが、直接連結されておらず、トーションバー６３を介在させて接続されている。入力軸６１は、ステアリングホイール２７０に接続されており、ステアリングホイール２７０の回転に同期して回転する。一方、出力軸６２は、ステアリングギア機構２４０に接続されており、トーションバー６３を介して入力軸６１から出力軸６２に伝達された回転運動は、ステアリングギア機構２４０によってロッド２５０の直線運動に変換され、これにより車輪２６１，２６２の転舵方向が制御される。

ここで、入力軸６１の回転運動は、トーションバー６３を介して出力軸６２に伝達されるが、車輪２６１，２６２と路面との間の摩擦の影響により、出力軸６２は入力軸６１の回転に遅れて回転し始めるので、トーションバー６３に捩れが発生する。ステアリングセンサ１０は、ステアリングシャフト６０の回転数、入力軸６１の一回転以内の絶対角、及び入力軸６１と出力軸６２との回転角度差（位相差）に基づいて、ステアリングシャフト６０に加えられた操舵トルク、操舵角及び操舵方向を検出し、操舵トルクの検出情報をコントローラ（ＥＣＵ）２１０に出力し、操舵角及び操舵方向の検出情報を横滑り防止装置（ＥＣＳ）２８０に出力する。コントローラ２１０は、操舵トルク及び車速に基づいて操舵補助力の指令値を演算し、これをモータ２２０に出力する。モータ２２０の出力トルクは減速機構２３０を介して出力軸６２に伝達される。

なお、本明細書では、車輪２６１，２６２の転舵方向が舵角中心にある時のステアリングホイール２７０の位置を基準位置と称する。また、その基準位置に対してステアリングホイール２７０が時計回りに操舵される場合を正方向の操舵と称し、ステアリングホイール２７０が反時計回りに操舵される場合を負方向の操舵と称する。

次に、図２乃至図５を参照しながら、ステアリングセンサ１０の内部構造について説明する。図２はステアリングセンサ１０の断面図、図３は図２の３−３線矢視断面図、図４は、図２の４−４線矢視断面図、図５は図２の５−５線矢視断面図である。入力軸６１には、回転体７１が固定されている。回転体７１は、強磁性材質（例えば、鉄、コバルト、ニッケル等）から成るロータである。入力軸６１の軸芯方向をＺ軸方向とすると、回転体７１は、Ｚ軸に垂直なＸＹ平面内で回転する。図３に示すように、回転体７１をその回転平面（ＸＹ平面）に投影した形状（以下、「平面形状」と称する。）は、回転中心Ｐを通過する如何なる直線に関しても、「回転体７１の回転中心Ｐを通る直線が回転体７１の外周と交差する二点間の距離が一定である」という条件を満たす形状（但し、円を除く）を成している。このような形状として、本実施例では、二つの異なる半楕円を結合して成る形状を例示するが、この例示に限定されるものではない。回転体７１の外周付近には、回転体７１の回転中心Ｐを通る直線４０１上に対角配置された一対の磁気センサ２１Ａ，２１Ｂと、直線４０１に直交するとともに回転中心Ｐを通る直線４０２上に対角配置された一対の磁気センサ２１Ｃ，２１Ｄが配置されている。それぞれの磁気センサ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄは、回転中心Ｐに対して、９０ｄｅｇ間隔で固定されており、回転体７１が回転したとしても、回転中心Ｐとそれぞれの磁気センサ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄとの間の距離は常に一定である。

図２に示すように、磁気センサ２１Ａは、外部磁界を発生させるための磁界発生手段として機能する磁石１０１と、回転体７１の回転に連動して変化する外部磁界の変化を電圧変化として検出する磁気抵抗効果素子９１とを主要構成として備える。磁気センサ２１Ａの実装形態として、磁石１０１の中心点を通るＺ方向の直線上に磁気抵抗効果素子９１が位置するように一枚のプリント配線基板１１１の表面に磁気抵抗効果素子９１を配置し、プリント配線基板１１１の裏面に磁石１０１を配置するのが好ましい。図３に示す例では、プリント配線基板１１１は、中空環状に形成されているが、端部を有するＣ字型の形状でもよい。一枚のプリント配線基板１１１を使用することで、ステアリングセンサ１０の組み立てが容易になり、取り付け精度の向上が期待できる。また、磁石１０１から発生する外部磁界を効率よく集磁するために、磁石１０１の両極にヨーク（図示せず）を配置するのが好ましい。なお、磁気センサ２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄの構成は、磁気センサ２１Ａの構成と同じである。

磁気抵抗効果素子９１は、磁化方向が特定の方向に設定されていて、外部磁界の変位に対して磁化状態（例えば、磁化方向や磁化の強さ）が影響を受けないように構成されたピン磁性層（図示せず）と、外部磁界の変化によって磁化状態が変位するフリー磁性層（図示せず）とを備えている。図２に示すように、入力軸６１の回転に同期して、回転体７１が回転すると、回転体７１の外周と磁気抵抗効果素子９１との間のギャップＧの間隔は、周期的に変化する。ギャップＧの間隔が変化すると、磁気抵抗効果素子９１の裏面に配置された磁石１０１から磁気抵抗効果素子９１を通過して回転体７１に引かれる磁束密度が変化する。すると、磁気抵抗効果素子９１内のフリー磁性層の磁化状態が変動するので、磁化状態が変動しないピン磁性層の磁化状態と、磁化状態が変動するフリー磁性層との間に磁化状態の変位差が発生する。この磁化状態の変位差は、回転体７１の回転角度を反映する物理量であり、具体的には、磁気抵抗効果素子９１の抵抗値の変化として現れる。磁気抵抗効果素子９１には、プリント配線基板１１１からバイアス電流が供給されており、磁気抵抗効果素子９１の抵抗値の変化は、出力電圧の変化として検出される。磁気抵抗効果素子９１の出力電圧は、回転体７１の回転角度を示す検出信号として信号処理される。なお、磁気抵抗効果素子９１として、ＧＭＲ素子、ＭＲ素子、ＡＭＲ素子、ＴＭＲ素子などを適用することができる。

磁気抵抗効果素子９１の動作領域は、図７に示すように、磁気抵抗効果素子９１を通過する磁束密度と、磁気抵抗効果素子９１の出力電圧との関係が線形になる領域Ａ又は領域Ｂになるように、外部磁界の強さやギャップＧの平均間隔等を設計するのが好ましい。この場合、ギャップＧの距離に応じて、磁気センサ２１Ａの出力は線形性を有することとなる。また、回転体７１と磁気センサ２１Ａとのスラスト方向の位置関係は、回転体７１の回転による芯ぶれ等によるズレを含めて回転体７１が磁気抵抗効果素子９１から外れない位置関係とするのが望ましい。例えば、取り付け誤差±０．５ｍｍ、芯ぶれ±０．５ｍｍ、磁気抵抗効果素子９１の厚みが０．５ｍｍとすると、回転体７１の厚みは、３．０ｍｍ以上が望ましい。

さて、回転体７１が一回転すると、図８に示すように、磁気センサ２１Ａを通過する外部磁界の磁束密度の変化を示す波形には、一周期分の変化が現れる。回転体７１は、異なる二つの半楕円を結合した形状に加工されているので、図８に示す磁束密度波形は厳密な意味での正弦波形ではないものの、正弦波形に類似した波形である。上述の如く磁気抵抗効果素子９１を通過する磁束密度と、磁気抵抗効果素子９１の出力電圧との関係は、線形であるので（図７参照）、磁気抵抗効果素子９１から出力される検出信号は、正弦波に類似した波形を有する。回転体７１は、回転中心Ｐを通過する如何なる直線に関しても、回転体７１の回転中心Ｐを通る直線が回転体７１の外周と交差する二点間の距離が一定であるような形状を成しているので、対角配置された一対の磁気センサ２１Ａ，２１Ｂのうち一方の磁気センサ２１Ａと回転体７１の外周との間の第一の距離が変化すると、他方の磁気センサ２１Ｂと回転体７１の外周との間の第二の距離は第一の距離の変化に追従するように相補的に変化する。つまり、第一の距離が短くなると、その短くなった距離の分だけ第二の距離が長くなる。これは一対の磁気センサ２１Ａ，２１Ｂが１８０度対角配置されているためである。従って、磁気センサ２１Ａ，２１Ｂの検出信号は、図９に示すように、１８０ｄｅｇの位相差を有している。図９において、符号５０１は、磁気センサ２１Ａの検出信号を示し、符号５０２は、磁気センサ２１Ｂの検出信号を示している。なお、対角配置された他の一対の磁気センサ２１Ｃ，２１Ｄの検出信号についても、１８０ｄｅｇの位相差を有している。

ここで、図２の説明に戻る。出力軸６２には、回転体７２が固定されている。回転体７２の材質及び平面形状は、回転体７１の材質及び平面形状と同様である。図５に示すように、回転体７２の外周付近には、回転体７２の回転中心Ｑを通る直線４０３上に対角配置された一対の磁気センサ４１Ａ，４１Ｂと、直線４０３に直交するとともに回転体７２の回転中心Ｑを通る直線４０４上に対角配置された一対の磁気センサ４１Ｃ，４１Ｄが配置されている。それぞれの磁気センサ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄは、回転体７２の回転中心Ｑに対して、９０ｄｅｇ間隔で固定されており、回転体７２が回転したとしても、その回転中心Ｑとそれぞれの磁気センサ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄとの間の距離は常に一定である。図２に示すように、磁気センサ４１Ａは、磁気抵抗効果素子９２及び磁石１０２を備えており、磁石１０２の中心点を通るＺ方向の直線上に磁気抵抗効果素子９２が位置するように一枚のプリント配線基板１１２の裏面に磁気抵抗効果素子９２を配置し、プリント配線基板１１２の表面に磁石１０２を配置するのが好ましい。

図２及び図４に示すように、ハウジング１２０の内部に回転自在に軸止されたウォームホイール８２に噛合するウォーム８１が入力軸６１に連結されている。ウォームホイール８２には、外部磁界を発生させるための磁界発生手段として機能する磁石１０３が取り付けられている。入力軸６１が回転すると、それに同期してウォーム８１が回転する。ウォーム８１の回転は、ウォームホイール８２に伝達され、磁石１０３をＸＺ平面内で回転させる。例えば、ウォーム８１が一回転すると、ウォームホイール８２は一歯分回転する。磁石１０３からＹ方向に所定のギャップ間隔で離れた位置には、磁石１０３の回転に連動して変化する外部磁界の変化を電圧変化として検出する磁気抵抗効果素子９３がプリント配線基板１１３に実装されている。磁気抵抗効果素子９３及び磁石１０３は、ステアリングシャフト６０の回転に連動して変化する磁気信号を出力する磁気センサ３１として機能する。なお、ウォーム８１及びウォームホイール８２は、ポリアセタール等の樹脂により形成される。

図６はステアリングセンサ１０の機能構成を示す説明図である。ステアリングセンサ１０は、ステアリングホイール２７０が基準位置にあるときの入力軸６１の位置を基準にして、入力軸６１の一回転以内の絶対角を０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇの範囲内で検出するための入力軸角度検出部２０、ステアリングシャフト６０の回転数を検出するための回転数検出部３０、ステアリングホイール２７０が基準位置にあるときの出力軸６２の位置を基準にして、出力軸６２の一回転以内の絶対角を０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇの範囲内で検出するための出力軸角度検出部４０、及びステアリングシャフト６０の多回転絶対角及び操舵トルクを演算するための演算回路５０を備える。これらの各部の機能は、プリント配線基板１１１，１１２，１１３に実装されたＩＣチプ（図示せず）によって実現される。なお、本実施例では、ステアリングシャフト６０は、正方向及び負方向のそれぞれに最大２．５回転できるものとする。ステアリングシャフト６０の多回転絶対角は、ステアリングホイール２７０の操舵角と同義であり、入力軸６１の一回転以内の絶対角と、ステアリングシャフト６０の回転数とによって求められる。

入力軸角度検出部２０は、一対の磁気センサ２１Ａ，２１Ｂから出力される二つの検出信号を差動演算することによりｓｉｎ信号を出力する差動演算回路２２Ａと、一対の磁気センサ２１Ｃ，２１Ｄから出力される二つの検出信号を差動演算することによりｃｏｓ信号を出力する差動演算回路２２Ｂと、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号に基づいて入力軸６１の一回転以内の絶対角を算出する角度算出回路２３とを備える。ここで、図１０の符号５０３は、図９に示す二つの検出信号５０１，５０２を差動演算回路２２Ａによって差動演算することにより得られるｓｉｎ信号を示している。このｓｉｎ信号は、理想的な正弦波形に酷似した波形形状を有する略正弦波信号である。差動演算回路２２Ｂから出力されるｃｏｓ信号についても同様に、理想的な正弦波形に酷似した波形形状を有する略正弦波信号であり、ｓｉｎ信号に対して相対的に９０ｄｅｇの位相差をしている。角度算出回路２３は、差動演算回路２２Ａから出力されるｓｉｎ信号、及び差動演算回路２２Ｂから出力されるｃｏｓ信号に基づいて、入力軸６１の一回転以内の絶対角を算出する。角度算出回路２３は、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号に基づいて算出した絶対角に対応する電圧値をデジタルデータとして演算回路５０に出力する。図１１は、絶対角と電圧値との対応関係を示すマップデータ５０４を示す。このマップデータ５０４は、絶対角に比例して電圧値がデジタル値として０．５Ｖから４．５Ｖの範囲内で増減するように設定されている。

出力軸角度検出部４０は、一対の磁気センサ４１Ａ，４１Ｂから出力される二つの検出信号を差動演算することによりｓｉｎ信号を出力する差動演算回路４２Ａと、一対の磁気センサ４１Ｃ，４１Ｄから出力される二つの検出信号を差動演算することによりｃｏｓ信号を出力する差動演算回路４２Ｂと、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号に基づいて出力軸６２の一回転以内の絶対角を算出する角度算出回路４３とを備える。差動演算回路４２Ａ，４２Ｂ、及び角度算出回路４３の機能は、それぞれ上述の差動演算回路２２Ａ，２２Ｂ、及び角度算出回路２３と同様である。

回転数検出部３０は、ステアリングシャフト６０の回転に連動して変化する磁気信号を出力する磁気センサ３１、磁気センサ３１の出力信号（アナログ信号）を増幅する増幅器３２、及び増幅器３２から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して演算回路５０に出力するＡ／Ｄ変換器３３を備える。図１２は、磁気センサ３１の出力信号波形を示す。本実施例では、ステアリングシャフト６０の回転数は、正方向及び負方向のそれぞれに最大２．５回転に制限されているので、ウォームホイール８２は、最大２．５歯分しか回転しないのであるが、仮にウォームホイール８２が一回転する場合を想定すると、理論上、磁気センサ３１からは一周期分の略正弦波信号が出力される。同図に示す例では、ステアリングホイール２７０が基準位置にあるときに磁気センサ３１から出力される信号の位相が１８０ｄｅｇになるように調整してある。ステアリングシャフト６０が基準位置から回転すると、磁気センサ３１の出力信号波形の位相は、１８０ｄｅｇを基準にして一回転あたりΔφ（＝２２．５ｄｅｇ）の範囲で変化し、その信号レベル（電圧値）も位相変化に応じて単調増加又は単調減少する。従って、磁気センサ３１の信号レベルは、ステアリングシャフト６０の回転数を判定する指標になる。

演算回路５０は、入力軸角度検出部２０及び回転数検出部３０から受信した情報に基づいてステアリングシャフト６０の多回転絶対角を演算する。例えば、図１２に示すように、回転数検出部３０から出力されるデジタル信号が２．４７Ｖ〜２．５２Ｖの範囲であれば、演算回路５０は、ステアリングシャフト６０が負方向に一回転したものと判定し、２．４２Ｖ〜２．４７Ｖの範囲であれば、正方向に一回転したものと判定する。具体例として、例えば、入力軸角度検出部２０から受信した情報が「絶対角６０ｄｅｇ」であり、回転数検出部３０から受信した情報が「二回転目」である場合、ステアリングシャフト６０の多回転絶対角は、３６０ｄｅｇ＋６０ｄｅｇ＝４２０ｄｅｇとして算出される。このようにして算出された多回転絶対角は、ステアリングホイール２７０の操舵角を示す情報として、図２及び図４に示すコネクタ１３０を介して上述のコントローラ２１０に出力される。

演算回路５０は、入力軸６１の絶対角を示す電圧値を入力軸角度検出部２０から受信するとともに、出力軸６２の絶対角を示す電圧値を出力軸角度検出部４０から受信し、入力軸６１と出力軸６２との位相差とトーションバー６３のばね定数とからステアリングシャフト６０の操舵トルクを求める。ところで、位相ずれを生じさせることなく、回転体７１，７２をステアリングシャフト６０に取り付けることは困難であるため、入力軸６１と出力軸６２との間に位相差が生じていないのにも関わらず、入力軸角度検出部２０から出力される電圧値と、出力軸角度検出部４０から出力される電圧値とが異なる場合がある。そのため、本実施例では、回転体７１，７２をステアリングシャフト６０に取り付けた後、図１３に示すように、回転体７１，７２の絶対角の初期位相差Δθ（＝θ１−θ２）及び電圧値の初期差分ΔＶｒｅｆを求める。また、本実施例においては、ステアリングホイール２７０の操作によりステアリングシャフト６０のトーションバー６３に加わる操舵トルクに起因して生じる回転体７１，７２の位相差の最大値（例えば、±５ｄｅｇ）を予め求めておく。図１４は、回転体７１，７２の位相差から操舵トルクを求めるためのマップデータ５０５を示しており、横軸は回転体７１，７２の位相差を示し、縦軸は電圧値を示す。このマップデータ５０５では、入力軸角度検出部２０から出力される電圧値と、出力軸角度検出部４０から出力される電圧値との差分がΔＶｒｅｆのときに、位相差が０ｄｅｇを示すように設定されている。また、回転体７１，７２の位相差が正方向に増大すると、位相差の増加分に線形比例してマップデータ５０５の値が増加し、回転体７１，７２の位相差が負方向に減少すると、位相差の減少分に線形比例してマップデータ５０５の値が減少するように設定されている。演算回路５０は、このマップデータ５０５を用いてステアリングシャフト６０の操舵トルクを求める。

なお、一対の磁気センサ２１Ｃ，２１Ｄは、入力軸６１の角度検出を行う上で必須ではなく、一対の磁気センサ２１Ａ，２１Ｂのみで角度検出を行うことが可能であり、また、一対の磁気センサ４１Ｃ，４１Ｄは、出力軸６２の角度検出を行う上で必須ではなく、一対の磁気センサ４１Ａ，４１Ｂのみで角度検出を行うことが可能である点に留意されたい。さらに、磁気抵抗効果素子９１のフリー磁性層の長手方向は、特に限定されるものではないが、本発明者の実験によると、回転体７１の回転中心Ｐに向かう方向（回転中心方向）に磁化されているときに、特に高精度な角度検出が得られることが確認されている。フリー磁性層の長手方向が、例えば、回転中心Ｐに向かう方向に直交する向きに設定されていると、フリー磁性層の長手方向全体に渡って、回転角に依存する平均的な磁界を磁気抵抗効果素子９１が検出することになり、フリー磁性層の長手方向が回転中心Ｐに向かう場合と比較して相対的に検出誤差が大きくなると考えられる。

次に、図１５を参照しながら回転体７１の平面形状の算出方法について説明する。
ここでは、回転体７１の平面形状は、ＸＹ座標系において、半楕円Ｆ（Ｙ≧０）と半楕円関数Ｈ（Ｙ≦０）とを結合した形状から成るものとし、一方の楕円Ｆが既知である場合に、他方の楕円関数Ｈを算出する場合を考察する。
楕円Ｆ（ｘ、ｙ）を以下のように定義する。
（ｘ、ｙ）＝（Ｌｃｏｓθ，Ｌｓｉｎθ） …（１）
ｘ²＋ｙ²/ａ²＝ｒ² …（２）
ｙ≧０ …（３）

ここで、ＸＹ座標系の原点は、回転中心Ｐに一致するものとし、回転中心Ｐと楕円Ｆ上の点との間の距離は、以下の式で示される。
（ｒ²／（ｃｏｓ²θ＋ｓｉｎ²θ／ａ²））^1/2＝Ｌ …（４）
従って、（４）式を（１）式に代入することにより、楕円Ｆの座標をθで表記できる。

さて、楕円関数Ｈ（Ｘ，Ｙ）は、「回転中心Ｐを通過する如何なる直線に関しても、回転中心Ｐを通る直線が回転体７１の外周と交差する二点間の距離が一定である」という条件を満たさなければならないので、下式が成立する。
Ｈ（Ｘ）＝Ｘ＝２ｒ・ｃｏｓθ−Ｆ（ｘ） …（５）
Ｈ（Ｙ）＝Ｙ＝２ｒ・ｓｉｎθ−Ｆ（ｙ） …（６）
ここで、Ｆ（ｘ），Ｆ（ｙ）は、回転中心Ｐを通る直線が楕円Ｆに交差する点のＸ座標、Ｙ座標を示す。つまり、（５）式、（６）式を満たすＨ、Ｆは回転中心を起点としてＸ軸とのなす角度が同一の角度となる。また、（５）式、（６）式より、関数Ｆ（楕円に限られない）が定義されれば、対応する関数Ｈ（楕円関数に限られない）の座標を求めることが可能となる。

ここで、(５)式、(６)式をＸＹ座標上で表記すると、ａ＝０．９の場合、図１６のような波形となる（ｒ＝１）。但し、ａの値によっては（例えば、ａ＝１．５の場合）、図１７のようにＸ＝０で谷と有する波形となり、ａ＝０．５の場合は、図１８のようにＹ＞０でＸ＝ｒをとることになり、局率の符号を変える変局点を有することになる。ここで、図１７及び図１８のような場合は、谷部、変局点では磁界の乱れが生じると考えられ、検出出力が安定しない可能性がある。従って、図１６のような谷部、局率の符号を変える変局点を有さない回転体であることが好ましい。よって、好ましい回転体は、楕円（ｘ²＋ｙ²/ａ²＝ｒ²）と０＜ａ＜２（座標原点が閉曲線面内に存在する条件）の範囲（但し、ａ＝１は除く）で谷部、局率の符号を変える変局点を有さない楕円関数の結合体である。これにより、楕円Ｆ、Ｈが一回転で最大、最小を一個有する正弦波を得ることが可能となる。無論、谷部、局率の符号を変える変局点を有さない形状を有する回転体は楕円と楕円関数に限られず、様々な形状が可能である。回転体７２の平面形状についても同様の手順により算出することができる。

本実施例によれば、以下の利点を有する。
（１）回転体７１の回転中心Ｐを通る直線が回転体７１の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体７１を用いているので、対角配置された一対の磁気センサ２１Ａ，２１Ｂ（又は２１Ｃ，２１Ｄ）の検出信号を差動演算することにより得られる信号は、回転体７１の回転角度情報を含む略正弦波信号となり、入力軸６１の一回転以内の絶対角を０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇの範囲にわたって高精度に検出できる。

（２）回転体７１をその回転平面に投影した形状は、二つの異なる半楕円が結合した形状を有しているので、対角配置された一対の磁気センサ２１Ａ，２１Ｂ（又は２１Ｃ，２１Ｄ）の検出信号を差動演算することにより得られる信号は、回転体７１の回転角度情報を含む略正弦波信号となるので、検出誤差の少ない角度検出を行うことができる。

（３）回転体７２を用いて出力軸６２の一回転以内の絶対角を０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇの範囲にわたって検出する場合にも、上述の（１）、（２）の利点を有する。

（４）磁気センサ３１から出力される検出信号のレベルに基づいてステアリングシャフト６０の回転数を判定できるため、ステアリングシャフト６０の回転数情報を電源ＯＦＦ時不揮発性メモリに保持しなくても、ステアリングシャフト６０の多回転絶対角を検出できる。

（５）磁気センサ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄを用いて回転体７１，７２の絶対角を検出するので、レゾルバを用いて絶対角を検出する方式よりもセンサ構造を簡素化できる。

実施例２に係わるステアリングセンサ１０は、出力軸６２の一回転以内の絶対角を検出するための回転体７２と一対の磁気センサ４１Ａ，４１Ｂとの配置関係、及び磁気センサ４１Ａ，４１Ｂからの検出信号の処理方法が実施例１とは異なり、その余の点において一致する。以下の説明においては、実施例１，２の相違点について言及するものとし、重複する説明を省略する。

図２０に示すように、磁気センサ４１Ａは、回転体７２の回転中心Ｑ上を通る直線４０５上に位置し、磁気センサ４１Ｂは、回転中心Ｑ上を通る直線４０６上に位置している。二つの直線４０５，４０６が交差する角度は、９０ｄｅｇである。また、回転中心Ｑからそれぞれの磁気センサ２１Ａ，２１Ｂへの距離は同一である。二つの磁気センサ４１Ａ，４２Ｂは、回転体７２の回転中心Ｑに対して９０ｄｅｇの位相差（機械角）で回転中心Ｑから等距離に配置されている。磁気センサ４１Ａは、回転体７２の回転に伴い周期的に変化する回転体７２の外周と磁気センサ４１Ａとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出して、正弦波形に類似した波形形状を有する第一の略正弦波信号を出力する。磁気センサ４１Ｂは、回転体７２の回転に伴い周期的に変化する回転体７２の外周と磁気センサ４１Ｂとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出して、正弦波形に類似した波形形状を有する第二の略正弦波信号を出力する。第一及び第二の略正弦波信号は、相互に９０ｄｅｇの位相差（電気角）を有する検出信号である。説明の便宜上、磁気センサ４１Ａから出力される検出信号をｃｏｓ信号と称し、磁気センサ４１Ｂから出力される検出信号をｓｉｎ信号と称する。

図１９に示すように、磁気センサ４１Ａから出力されるｃｏｓ信号（アナログ信号）は、増幅器４４Ａにて増幅され、Ａ／Ｄ変換器４５Ａにてデジタル信号に変換され、角度算出回路４３へ出力される。同様に、磁気センサ４１Ｂから出力されるｓｉｎ信号（アナログ信号）は、増幅器４４Ｂにて増幅され、Ａ／Ｄ変換器４５Ｂにてデジタル信号に変換され、角度算出回路４３へ出力される。角度算出回路４３は、増幅器４４Ａから出力されるｓｉｎ信号、及び増幅器４４Ｂから出力されるｃｏｓ信号に基づいて、入力軸６１の一回転以内の絶対角を算出する。角度算出回路４３は、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号に基づいて算出した絶対角に対応する電圧値を演算回路５０に出力する。変換テーブル４６を保持しており、磁気センサ４１Ａ，４１Ｂから出力されるｃｏｓ信号及びｓｉｎ信号に対応する回転体７２の絶対角を変換テーブル４６から読み取り、読み取った絶対角を出力する。この変換テーブル４６は、例えば、製品出荷時又はステアリングシャフト６０の取り付け時などに実施されるキャリブレーションによって作成される。

ここで、変換テーブル４６の作成方法について説明する。図２１は、キャリブレーション実施前のｃｏｓ信号７０１及びｓｉｎ信号７０２を示している。キャリブレーション実施前では、ｃｏｓ信号７０１及びｓｉｎ信号７０２の振幅及び中間値は、相互に一致していないのが通常である。そこで、ｃｏｓ信号７０１及びｓｉｎ信号７０２のそれぞれの一周期分の波形を取り込み、ｃｏｓ信号７０１及びｓｉｎ信号７０２のそれぞれの振幅及び中間値を算出する。そして、図２２及び図２３に示すように、キャリブレーション実施後のｃｏｓ信号７０１及びｓｉｎ信号７０２の上限値がＶ_T、下限値がＶ_B、中間値が（Ｖ_T＋Ｖ_B）／２となるように、磁気センサ４１Ａから出力されるｃｏｓ信号７０１を増幅するための増幅器４４Ａの利得及びオフセット値と、磁気センサ４１Ｂから出力されるｓｉｎ信号７０２を増幅するための増幅器４４Ｂの利得及びオフセット値をそれぞれ調整し、検出信号の振幅調整及びオフセット補正を実施する。なお、図２２及び図２３において、破線はキャリブレーション実施前の信号波形を示し、実線はキャリブレーション実施後の信号波形を示し、一点鎖線はオフセット補正後の中間値を示し、二点鎖線はオフセット補正前の中間値を示す。

キャリブレーション実施後のｃｏｓ信号７０１及びｓｉｎ信号７０２は、それぞれＡ／Ｄ変換器４５Ａ，４５Ｂによってデジタルデータに変換され、角度算出回路４３に供給される。角度算出回路４３は、図２４及び図２５に示すように、デジタル化されたｃｏｓ信号７０１及びｓｉｎ信号７０２を一周期分にわたって一定角度間隔でサンプリングし、サンプリングした読み取りデータを、ｃｏｓ信号値８０２、及びｓｉｎ信号値８０３として、変換テーブル４６に格納する（図２６参照）。例えば、０．２ｄｅｇの回転角度の分解能を有するためには、０．１ｄｅｇ以下の角度精度が必要であるので、ｃｏｓ信号７０１及びｓｉｎ信号７０２を０．１ｄｅｇ以下の角度精度でサンプリングし、サンプリングした読み取りデータを変換テーブル４６に格納することが好ましい。なお、デジタル化されたｃｏｓ信号７０１、及びｓｉｎ信号７０２の一周期の時間は、上限値の間隔（又は下限値の間隔）として算出することが可能である。また、ｃｏｓ信号７０１が上限値をとるとき、又はｓｉｎ信号７０２が中間値をとるときを０ｄｅｇの判定基準とすればよい。

変換テーブル４６は、図２６に示すように、リニア出力値８０１、ｃｏｓ信号値８０２、及びｓｉｎ信号値８０３を０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇの角度範囲で対応付けている。リニア出力値８０１は、図２８に示すように、０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇの角度範囲で直線的に単調増加するマップデータとして予め作成されている。例えば、リニア出力値８０１を１．０Ｖ〜４．０Ｖの範囲で出力したい場合には、０ｄｅｇのときにリニア出力値８０１を１．０Ｖとし、１８０ｄｅｇのときにリニア出力値８０２を２．５Ｖとし、３５９ｄｅｇのときにリニア出力値８０１を４．０Ｖとし、回転体７２の絶対角とリニア出力値８０１との関係が線形になるように作成すればよい。なお、リニア値８０１の出力範囲は任意に調整可能であり、上述の数値に限定されるものではない。また、リニア出力値８０１は、０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇの角度範囲で直線的に単調減少するマップデータとして作成してもよい。

次に、上述の手順を経て作成された変換テーブル４６を用いて回転体７２の絶対角を求める方法について説明する。磁気センサ４１Ａ，４１Ｂから出力されるｃｏｓ信号７０１、及びｓｉｎ信号７０２は、増幅器４４Ａ，４４Ｂによって振幅調整及びオフセット補正が実施され、更に、Ａ／Ｄ変換器４５Ａ，４５Ｂによって一定角度間隔でサンプリングされ、角度算出回路４３に供給される。角度算出回路４３は、読み取ったｃｏｓ信号７０１のサンプリングデータに一致するｃｏｓ信号値８０２を変換テーブル４６から検索し、検索されたｃｏｓ信号値８０２に対応するリニア出力値８０１を変換テーブル４６から読み出す。また、角度算出回路４３は、読み取ったｓｉｎ信号７０２のサンプリングデータに一致するｓｉｎ信号値８０３を変換テーブル４６から検索し、検索されたｓｉｎ信号読み取り値８０３に対応するリニア出力値８０１を変換テーブル４６から読み出す。このようにして読み出されたリニア出力値８０１は、回転体７２の絶対角を示す信号として、演算回路５０に供給される。

このとき、角度算出回路４３は、図２７に示すように、ｃｏｓ信号７０１、及びｓｉｎ信号７０２のうちその信号波形が中間値をとるときの角度に対して±４５ｄｅｇの角度範囲にあるサンプリングデータを読み取るのが好ましい。例えば、０ｄｅｇ〜４５ｄｅｇの角度範囲では、ｃｏｓ信号７０１よりもｓｉｎ信号７０２の方が検出信号の振幅変化量が大きいため、ｓｉｎ信号７０２のサンプリングデータを読み込む。４５ｅｇ〜１３５ｄｅｇの角度範囲では、ｓｉｎ信号７０２よりもｃｏｓ信号７０１の方が検出信号の振幅変化量が大きいため、ｃｏｓ信号７０１のサンプリングデータを読み込む。１３５ｅｇ〜２２５ｄｅｇの角度範囲では、ｃｏｓ信号７０１よりもｓｉｎ信号７０２の方が検出信号の振幅変化量が大きいため、ｓｉｎ信号７０２のサンプリングデータを読み込む。このように、振幅変化量の小さい信号波形のピーク付近のサンプリングデータよりも、振幅変化量の大きい中間値付近のサンプリングデータを読み取ることで、検出誤差のバラツキを抑えることができるとともに、ノイズに対する耐性を高めることができる。

なお、変換テーブル４６を用いて絶対角を検出する方式は、入力軸角度検出部２０にも適用できるので、その原理を簡単に説明する（この方式は、後述する変形例にも適用し得る。）。例えば、図２０において、磁気センサ２１Ａ，２１Ｂからの検出信号を差動演算回路２２Ａによって差動演算して得られるｓｉｎ信号と、磁気センサ２１Ｃ，２１Ｄからの検出信号を差動演算回路２２Ｂによって差動演算して得られるｃｏｓ信号は、９０ｄｅｇの位相差（電気角）を有する。上述の変換テーブル４６を予め角度算出回路２３に実装しておけば、角度算出回路２３は、差動演算回路２２Ａ，２２Ｂから出力されるｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号をサンプリングした上で読み取り、読み取ったサンプリングデータに対応する回転体７１の絶対角を変換テーブルから検索し、検索した絶対角を出力することができる。ここで、差動演算回路２２Ａ，２２Ｂから出力されるｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号のうちその信号波形が中間値をとるときの角度に対して±４５ｄｅｇの角度範囲にあるサンプリングデータを読み取るのが好ましい。

本実施例の変形例として以下の構成を適用できる。
（１）入力軸角度検出部２０の構成として、二つの磁気センサ２１Ａ，２１Ｂを、回転体７１の回転中心Ｐに対して９０ｄｅｇの位相差（機械角）で回転中心Ｐから等距離に配置し、角度算出回路２３に変換テーブル４６を実装するとともに、出力軸角度検出部４０の構成として、二つの磁気センサ４１Ａ，４１Ｂを、回転体７２の回転中心Ｑに対して等距離に対角配置し、二つの磁気センサ４１Ｃ，４１Ｄを、回転体７２の回転中心Ｑに対して等距離に対角配置する（但し、二つの磁気センサ４１Ａ，４１Ｂを結ぶ直線と二つの磁気センサ４１Ｃ，４１Ｄを結ぶ直線に直交するものとする）。
（２）入力軸角度検出部２０の構成として、二つの磁気センサ２１Ａ，２１Ｂを、回転体７１の回転中心Ｐに対して９０ｄｅｇの位相差（機械角）で回転中心Ｐから等距離に配置し、角度算出回路２３に変換テーブル４６を実装するとともに、出力軸角度検出部４０の構成として、二つの磁気センサ４１Ａ，４１Ｂを、回転体７２の回転中心Ｑに対して９０ｄｅｇの位相差（機械角）で回転中心Ｑから等距離に配置し、角度算出回路４３に変換テーブル４６を実装する。

なお、本発明は、上述の実施例１、実施例２に限られるものではなく、様々な変形が可能であり、実施例１と実施例２を組み合わせた場合でも同様の効果を得ることができる。

本発明に係わるトルク検出装置は、ステアリングシャフトの操舵トルクの検出等に利用できる。

１０…ステアリングセンサ ２０…入力軸角度検出部 ３０…回転数検出部 ４０…出力軸角度検出部 ６０…ステアリングシャフト ６１…入力軸 ６２…出力軸 ６３…トーションバー ７１，７２…回転体 ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，３１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ…磁気センサ ２２Ａ，２２Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ…差動演算回路 ２３，４３…角度算出回路 ５０…演算回路

Claims (9)

1. 弾性部材を介して相互に接続される入力軸及び出力軸を備える回転軸の軸トルクを検出するためのトルク検出装置であって、
   前記入力軸に固定される第一の回転体であって、前記第一の回転体の回転中心を通る直線が前記第一の回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である第一の回転体と、
   前記第一の回転体の外周付近に配置される第一の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第一の検出信号を出力する第一の磁気センサと、
   前記第一の磁気センサと前記第一の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、前記第一の回転体の前記回転中心と前記第一の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第一の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第二の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第二の検出信号を出力する第二の磁気センサと、
   前記第一の検出信号と前記第二の検出信号とを差動演算する第一の差動演算手段と、
   前記第一の磁気センサと前記第一の回転体の回転中心とを結ぶ直線に直交する直線上において、前記第一の回転体の前記回転中心と前記第一の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第一の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第三の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第三の磁気センサとの間の第三の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第三の検出信号を出力する第三の磁気センサと、
   前記第三の磁気センサと前記第一の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、前記第一の回転体の前記回転中心と前記第三の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第一の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第四の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第四の磁気センサとの間の第四の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第四の検出信号を出力する第四の磁気センサと、
   前記第三の検出信号と前記第四の検出信号とを差動演算する第二の差動演算手段と、
   前記第一及び第二の差動演算手段が差動演算した結果に基づいて、前記入力軸の一回転以内の絶対角を算出する第一の角度算出手段と、
   前記出力軸に固定される第二の回転体であって、前記第二の回転体の回転中心を通る直線が前記第二の回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である第二の回転体と、
   前記第二の回転体の外周付近に配置される第五の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第五の磁気センサとの間の第五の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第五の検出信号を出力する第五の磁気センサと、
   前記第五の磁気センサと前記第二の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、前記第二の回転体の前記回転中心と前記第五の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第二の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第六の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第六の磁気センサとの間の第六の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第六の検出信号を出力する第六の磁気センサと、
   前記第五の検出信号と前記第六の検出信号とを差動演算する第三の差動演算手段と、
   前記第五の磁気センサと前記第二の回転体の回転中心とを結ぶ直線に直交する直線上において、前記第二の回転体の前記回転中心と前記第五の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第二の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第七の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第七の磁気センサとの間の第七の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第七の検出信号を出力する第七の磁気センサと、
   前記第七の磁気センサと前記第二の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、前記第二の回転体の前記回転中心と前記第七の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第二の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第八の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第八の磁気センサとの間の第八の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第八の検出信号を出力する第八の磁気センサと、
   前記第七の検出信号と前記第八の検出信号とを差動演算する第四の差動演算手段と、
   前記第三及び第四の差動演算手段が差動演算した結果に基づいて、前記出力軸の一回転以内の絶対角を算出する第二の角度算出手段と、
   前記回転軸の回転に連動して変化し、前記回転軸の回転数を判定する指標となる第九の検出信号を出力する第九の磁気センサと、
   前記入力軸の一回転以内の絶対角、前記回転軸の回転数、及び前記出力軸の一回転以内の絶対角に基づいて前記軸トルクを演算する演算手段と、
   を備えるトルク検出装置。
2. 弾性部材を介して相互に接続される入力軸及び出力軸を備える回転軸の軸トルクを検出するためのトルク検出装置であって、
   前記入力軸に固定される第一の回転体であって、前記第一の回転体の回転中心を通る直線が前記第一の回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である第一の回転体と、
   前記第一の回転体の外周付近に配置される第一の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第一の検出信号を出力する第一の磁気センサと、
   前記第一の磁気センサと前記第一の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、前記第一の回転体の前記回転中心と前記第一の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第一の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第二の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第二の検出信号を出力する第二の磁気センサと、
   前記第一の検出信号と前記第二の検出信号とを差動演算する第一の差動演算手段と、
   前記第一の磁気センサと前記第一の回転体の回転中心とを結ぶ直線に直交する直線上において、前記第一の回転体の前記回転中心と前記第一の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第一の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第三の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第三の磁気センサとの間の第三の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第三の検出信号を出力する第三の磁気センサと、
   前記第三の磁気センサと前記第一の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、前記第一の回転体の前記回転中心と前記第三の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第一の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第四の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第四の磁気センサとの間の第四の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第四の検出信号を出力する第四の磁気センサと、
   前記第三の検出信号と前記第四の検出信号とを差動演算する第二の差動演算手段と、
   前記第一及び第二の差動演算手段が差動演算した結果に基づいて、前記入力軸の一回転以内の絶対角を算出する第一の角度算出手段と、
   前記出力軸に固定される第二の回転体であって、前記第二の回転体の回転中心を通る直線が前記第二の回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である第二の回転体と、
   前記第二の回転体の外周付近に配置される第五の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第五の磁気センサとの間の第五の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第五の検出信号を出力する第五の磁気センサと、
   前記第五の磁気センサと前記第二の回転体の回転中心とを結ぶ直線に直交する直線上において、前記第二の回転体の前記回転中心と前記第五の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第二の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第六の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第六の磁気センサとの間の第六の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第六の検出信号を出力する第六の磁気センサと、
   前記第五及び第六の検出信号に対応する前記出力軸の絶対角を格納する変換テーブルと、
   前記第五及び第六の磁気センサから出力される前記第五及び第六の検出信号と、前記変換テーブルとを比較して、前記出力軸の一回転以内の絶対角を出力する第二の角度算出手段と、
   前記回転軸の回転に連動して変化し、前記回転軸の回転数を判定する指標となる第七の検出信号を出力する第七の磁気センサと、
   前記入力軸の一回転以内の絶対角、前記回転軸の回転数、及び前記出力軸の一回転以内の絶対角に基づいて前記軸トルクを演算する演算手段と、
   を備えるトルク検出装置。
3. 弾性部材を介して相互に接続される入力軸及び出力軸を備える回転軸の軸トルクを検出するためのトルク検出装置であって、
   前記入力軸に固定される第一の回転体であって、前記第一の回転体の回転中心を通る直線が前記第一の回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である第一の回転体と、
   前記第一の回転体の外周付近に配置される第一の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第一の検出信号を出力する第一の磁気センサと、
   前記第一の磁気センサと前記第一の回転体の回転中心とを結ぶ直線に直交する直線上において、前記第一の回転体の前記回転中心と前記第一の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第一の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第二の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第二の検出信号を出力する第二の磁気センサと、
   前記第一及び第二の検出信号に対応する前記入力軸の絶対角を格納する変換テーブルと、
   前記第一及び第二の磁気センサから出力される前記第一及び第二の検出信号と、前記変換テーブルとを比較して、前記入力軸の一回転以内の絶対角を出力する第一の角度算出手段と、
   前記出力軸に固定される第二の回転体であって、前記第二の回転体の回転中心を通る直線が前記第二の回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である第二の回転体と、
   前記第二の回転体の外周付近に配置される第三の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第三の磁気センサとの間の第三の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第三の検出信号を出力する第三の磁気センサと、
   前記第三の磁気センサと前記第二の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、前記第二の回転体の前記回転中心と前記第三の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第二の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第四の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第四の磁気センサとの間の第四の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第四の検出信号を出力する第四の磁気センサと、
   前記第三の検出信号と前記第四の検出信号とを差動演算する第一の差動演算手段と、
   前記第三の磁気センサと前記第二の回転体の回転中心とを結ぶ直線に直交する直線上において、前記第二の回転体の前記回転中心と前記第三の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第二の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第五の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第五の磁気センサとの間の第五の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第五の検出信号を出力する第五の磁気センサと、
   前記第五の磁気センサと前記第二の回転体の回転中心とを結ぶ直線上において、前記第二の回転体の前記回転中心と前記第五の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第二の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第六の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第六の磁気センサとの間の第六の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第六の検出信号を出力する第六の磁気センサと、
   前記第五の検出信号と前記第六の検出信号とを差動演算する第二の差動演算手段と、
   前記第一及び第二の差動演算手段が差動演算した結果に基づいて、前記出力軸の一回転以内の絶対角を算出する第二の角度算出手段と、
   前記回転軸の回転に連動して変化し、前記回転軸の回転数を判定する指標となる第七の検出信号を出力する第七の磁気センサと、
   前記入力軸の一回転以内の絶対角、前記回転軸の回転数、及び前記出力軸の一回転以内の絶対角に基づいて前記軸トルクを演算する演算手段と、
   を備えるトルク検出装置。
4. 弾性部材を介して相互に接続される入力軸及び出力軸を備える回転軸の軸トルクを検出するためのトルク検出装置であって、
   前記入力軸に固定される第一の回転体であって、前記第一の回転体の回転中心を通る直線が前記第一の回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である第一の回転体と、
   前記第一の回転体の外周付近に配置される第一の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第一の検出信号を出力する第一の磁気センサと、
   前記第一の磁気センサと前記第一の回転体の回転中心とを結ぶ直線に直交する直線上において、前記第一の回転体の前記回転中心と前記第一の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第一の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第二の磁気センサであって、前記第一の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第一の回転体の外周と前記第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第二の検出信号を出力する第二の磁気センサと、
   前記第一及び第二の検出信号に対応する前記入力軸の絶対角を格納する第一の変換テーブルと、
   前記第一及び第二の磁気センサから出力される前記第一及び第二の検出信号と、前記第一の変換テーブルとを比較して、前記入力軸の一回転以内の絶対角を出力する第一の角度算出手段と、
   前記出力軸に固定される第二の回転体であって、前記第二の回転体の回転中心を通る直線が前記第二の回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である第二の回転体と、
   前記第二の回転体の外周付近に配置される第三の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第三の磁気センサとの間の第三の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第三の検出信号を出力する第三の磁気センサと、
   前記第三の磁気センサと前記第二の回転体の回転中心とを結ぶ直線に直交する直線上において、前記第二の回転体の前記回転中心と前記第三の磁気センサとの距離に等しい距離だけ前記第二の回転体の前記回転中心から離れた位置に配置される第四の磁気センサであって、前記第二の回転体の回転に伴い周期的に変化する前記第二の回転体の外周と前記第四の磁気センサとの間の第四の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第四の検出信号を出力する第四の磁気センサと、
   前記第三及び第四の検出信号に対応する前記出力軸の絶対角を格納する第二の変換テーブルと、
   前記第三及び第四の磁気センサから出力される前記第三及び第四の検出信号と、前記第二の変換テーブルとを比較して、前記出力軸の一回転以内の絶対角を出力する第二の角度算出手段と、
   前記回転軸の回転に連動して変化し、前記回転軸の回転数を判定する指標となる第五の検出信号を出力する第五の磁気センサと、
   前記入力軸の一回転以内の絶対角、前記回転軸の回転数、及び前記出力軸の一回転以内の絶対角に基づいて前記軸トルクを演算する演算手段と、
   を備えるトルク検出装置。
5. 請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載のトルク検出装置であって、
   前記第一の回転体をその回転平面に投影した形状は、二つの異なる半楕円が結合した形状を有する、トルク検出装置。
6. 請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載のトルク検出装置であって、
   前記第二の回転体をその回転平面に投影した形状は、二つの異なる半楕円が結合した形状を有する、トルク検出装置。
7. 請求項２に記載のトルク検出装置であって、
   前記第五及び第六の検出信号は、略正弦波信号であり、
   前記第二の角度算出手段は、前記第五及び第六の検出信号のうちその検出信号が中間値をとる角度に対して±４５ｄｅｇの角度範囲にある検出信号と、前記変換テーブルとを比較して、前記出力軸の絶対角を出力する、トルク検出装置。
8. 請求項３に記載のトルク検出装置であって、
   前記第一及び第二の検出信号は、略正弦波信号であり、
   前記第一の角度算出手段は、前記第一及び第二の検出信号のうちその検出信号が中間値をとる角度に対して±４５ｄｅｇの角度範囲にある検出信号と、前記変換テーブルとを比較して、前記入力軸の絶対角を出力する、トルク検出装置。
9. 請求項４に記載のトルク検出装置であって、
   前記第一、第二、第三、及び第四の検出信号は、略正弦波信号であり、
   前記第一の角度算出手段は、前記第一及び第二の検出信号のうちその検出信号が中間値をとる角度に対して±４５ｄｅｇの角度範囲にある検出信号と、前記第一の変換テーブルとを比較して、前記入力軸の絶対角を出力し、
   前記第二の角度算出手段は、前記第三及び第四の検出信号のうちその検出信号が中間値をとる角度に対して±４５ｄｅｇの角度範囲にある検出信号と、前記第二の変換テーブルとを比較して、前記出力軸の絶対角を出力する、トルク検出装置。

Images