JP5790142B2 - トルクセンサ及びこれを備えた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸に発生するトルクを非接触で検出するトルクセンサ及びこれを備えた電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来の電動パワーステアリング装置に適用されるトルクセンサとして、特許文献１に記載されたトルクセンサが知られている。このトルクセンサは、回転軸に生じるトルクに応じて互いに逆方向にインピーダンスが変化する１対の検出コイル及び抵抗でなるブリッジ回路を２系統設けて、これらブリッジ回路を冗長的に接続している。これにより、異常を容易に検出可能にするとともに、検出回路の一方で異常を生じても、他方の検出回路からのトルク信号によって操舵アシストを継続することができる。

特開２００６−２６７０４５号公報

ところで、上記特許文献１に記載のトルクセンサにあっては、それぞれが個別のコイルヨークに内装された４つのコイルが軸方向に沿って配列され、これらのコイルと抵抗体とでブリッジ回路を構成し、差動回路でトルクを検出するので、コイルの温度変化などによるドリフトの影響を差動回路である程度除去することはできる。
しかしながら、上記特許文献１に記載のトルクセンサでは、トルクによる非磁性円筒体とセンサシャフト部との相対回転差を検出してトルクを検出することが主目的であり、 非磁性円筒体の軸方向変位は検出することができないという未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、非磁性円筒体とセンサシャフト部との相対回転によってトルクを検出するとともに、非磁性円筒体の軸方向変位も検出することができるトルクセンサ及びこれを備えた電動パワーステアリング装置を提供することを目的としている。

上記目的を解決するために、本発明の第１の形態に係るトルクセンサは、内周面を開放した断面コ字状で円環状を有し、内部に検出コイルを配置した一対のヨークを軸方向に隣接させて固定配置し、該一対のヨークの内周面側に当該一対のヨークと所定間隔を保って対向して円筒部材を配置し、該非磁性円筒体の内周面側に、軸方向の凸条を円周方向に所定間隔で形成し、伝達されるトルクに応じて当該円筒部材と相対回転されるセンサシャフト部を配置し、前記円筒部材に、前記一対のヨークに個別に対向し、円周方向に位置を異ならせて前記一対のヨークの検出コイルで互い逆方向にインピーダンスを変化させる一対の窓の両端が当該一対のヨークの幅内となるように形成し、前記一対のヨークの各々に配置された一対の検出コイルのインピーダンスに基づいてトルクを演算するトルク演算部と、前記一対の検出コイルのインピーダンス変化を検出して前記円筒部材の軸方向変位を検出する軸方向変位検出部とを備えている。

また、本発明の第２の形態に係るトルクセンサは、前記一対のヨークを２組軸方向にシールド板を介して配置し、前記トルク演算部は、前記２組の一対のヨークのうちの一方の組の一対のヨークに配置された一対の検出コイルとこれらに直列に接続した抵抗体とで構成される第１のブリッジ回路と、前記２組の一対のヨークのうちの他方の組の一対のヨークに配置された一対の検出コイルとこれらに直列に接続した抵抗体とで構成される第２のブリッジ回路と、前記第１のブリッジ回路及び第２のブリッジ回路に個別に交流信号を印加したときの差分信号に基づいて少なくとも２組の検出トルクを演算するトルク演算回路とを備えている。

また、本発明の第３の形態に係る電動パワーステアリング装置は、第１又は第２の形態のトルクセンサを備え、該トルクセンサの検出トルクに基づいてステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生する電動モータを駆動して操舵補助制御を行う操舵補助制御部を有することを特徴としている。
また、本発明の第４の形態に係る電動パワーステアリング装置は、第１又は第２の形態のトルクセンサを備え、該トルクセンサの検出トルクに基づいてステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生する電動モータを駆動して操舵補助制御を行う操舵補助制御部と、前記トルクセンサの複数のトルク演算部から出力される複数の検出トルクに基づいて前記トルクセンサのトルク検出部の異常を判定する異常判定部とを有することを特徴としている。

本発明によれば、トルク演算部で、一対のヨークにそれぞれ配置した一対の検出コイルのインピーダンス変化に基づいてトルクを検出することができるとともに、軸方向変位検出部で一対の検出コイルのインピーダンス変化を検出することにより、非磁性円筒体の軸方向変位を検出することができる。

本発明の一実施形態を示す電動パワーステアリング装置の主要部を示す断面図である。 図１の実施形態に適用し得るトルクセンサを示す斜視図である。 トルクセンサのセンサシャフト部の表面の凸条と円筒部材の窓配置を説明する軸直角方向の断面図である。 ヨークと非磁性円筒体の窓との軸方向配置関係を示す説明図である。 トルクと検出コイルのインダクタンスとの関係を示す特性線図である。 図２の実施形態に適用し得るトルク演算部を示すブロック図である。 軸方向変位検出部で実行する軸方向変位検出処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る電動パワーステアリング装置の主要部を示す断面図であり、図２は、本発明に係るトルクセンサの構成を示す斜視図である。
図１において、ハウジング５は入力軸側ハウジング部５ａと出力軸側ハウジング部５ｂとに２分割された構造を有する。入力軸側ハウジング部５ａの内部には、入力軸１が軸受６ａによって回転自在に支持されている。また、出力軸側ハウジング部５ｂの内部には出力軸２が軸受６ｂ及び６ｃによって回転自在に支持されている。

そして、入力軸１及び出力軸２は入力軸１の内部に配設されたトーションバー３を介して連結されている。
入力軸１、トーションバー３及び出力軸２は同軸に配置されており、入力軸１とトーションバー３とはピン結合し、また、トーションバー３と出力軸２とはスプライン結合している。図１において、入力軸１の出力軸２とは反対側には、図示されていないステアリングホイールが一体的に取り付けられている。また、出力軸２には入力軸１とは反対側にピニオン軸２ａが一体的に形成されており、ピニオン軸２ａはラック軸４と噛合して公知のラックアンドピニオン式ステアリング機構を構成している。

また、出力軸２には、これと同軸で且つ一体に回転するウォームホイール７が固着されており、図示されていない電動モータで駆動されるウォーム８と出力軸側ハウジング部５ｂ内で噛合している。ウォームホイール７は金属製のハブ７ａに合成樹脂製の歯部７ｂが一体的に固定されている。電動モータの回転力は、ウォーム８及びウォームホイール７を介して出力軸２に伝達され、電動モータの回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸２に任意の方向の操舵補助トルクが付与される。

次に、図１及び図２を参照して入力軸１及び出力軸２間のトルクを検出するトルクセンサＴＳを構成するトルク検出部１０の構成を説明する。トルク検出部１０は入力軸１の、図１で出力軸２側に形成されたセンサシャフト部１１と、入力軸側ハウジング部５ａの内側に配置された２対の検出コイル１３ａ，１３ｂ及び１４ａ，１４ｂと、両者の間に配置された円筒部材１２から構成される。

図２はトルク検出部の構成を示す斜視図である。入力軸１の、図１で右端に近い外側には磁性材料で構成されたセンサシャフト部１１が形成されており、センサシャフト部１１の表面には、軸方向に延びた複数（図示の例では９個）の凸条１１ａが円周方向に沿って等間隔に形成されており、凸条１１ａの間には凸条１１ａの幅ｔ１よりも幅広の溝部１１ｂが形成されている。

また、センサシャフト部１１の外側には、センサシャフト部１１に接近して導電性で且つ非磁性の材料、例えばアルミニウムで構成された円筒部材１２がセンサシャフト部１１と同軸に配置されており、円筒部材１２の延長部１２ｅは出力軸２の端部２ｅの外側に固定されている。
円筒部材１２には、前記したセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａに対向する位置に、円周方向に等間隔に配置された複数個（図２では９個）の長方形の窓１２ａからなる第１の窓列と、前記第１の窓列から軸方向にずれた位置に、前記窓１２ａと同一形状で、円周方向の位相が異なる複数個（図２では９個）の長方形の窓１２ｂからなる第２の窓列とが設けられている。

円筒部材１２の外周は、同一規格の検出コイル１３ａ、１３ｂ及び１３ｃ、１３ｄが内側に巻回されたヨーク１５ａ、１５ｂ及び１５ｃ、１５ｄで包囲されている。ここで、ヨーク１５ａ〜１５ｄのそれぞれは、扁平な円筒体の軸方向の両端から内方に延長するフランジ部を形成して内周面を開放した断面コ字状に形成されている。

また、ヨーク１５ａ〜１５ｃは、ヨーク１５ｂ及び１５ｃ間に扁平な円筒状のシールド板１６を介在させて軸方向に配置されている。
そして、検出コイル１３ａ、１３ｂ及び１３ｃ、１３ｄは円筒部材１２と同軸に配置され、検出コイル１３ａ及び１３ｃは窓１２ａ及び１２ｃからなる第１の窓列部分を包囲し、検出コイル１３ｂ及び１３ｄは窓１２ｂ及び１２ｄからなる第２の窓列部分を包囲する。ヨーク１５ａ及び１５ｂは入力軸側ハウジング部５ａの内部に固定され、検出コイル１３ａ、１３ｂ及び１３ｃ、１３ｄの出力線１７は入力軸側ハウジング部５ａの内部に配置された回路基板１８に接続されている。

図３（ａ）及び（ｂ）は出力軸２側から見たセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと円筒部材の窓配置を説明する図で、図３（ａ）は、基準位置（トーションバー３が捩れていない状態）におけるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと円筒部材１２における第１の窓列の窓１２ａ及び１２ｃとの位置関係を示し、図３（ｂ）は基準位置（トーションバー３が捩れていない状態）におけるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと円筒部材１２における第２の窓列の窓１２ｂ及び１２ｄとの位置関係を示す図である。

この実施例では、窓１２ａ〜１２ｄがそれぞれ９個設けられているので、第１の窓列の窓１２ａ，１２ｃ及び第２の窓列の１２ｂ，１２ｄは、それぞれ円周方向に角度θ＝３６０／９＝４０度ずつずれていることになる。
窓１２ａ〜１２ｄの角度ａは窓１２ａ〜１２ｄのない部分の角度ｂよりも小さく設定（ａ＜ｂ）され、凸条１１ａの角度ｃは溝部１１ｂの角度ｄよりも小さく設定（ｃ＜ｄ）される。これは、検出コイルのインピーダンスの変化を急峻にするためである。

図３（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、トーションバー３が捩れていない状態、即ち操舵トルクが零（０）の状態では、窓１２ａ及び１２ｃの円周方向の幅の中央部にセンサシャフト部１１の凸条１１ａの円周方向の一方の端部が位置し、窓１２ｂ及び１２ｄの円周方向の幅の中央部に凸条１１ａの円周方向の他方の端部が位置するように、窓１２ａ〜１２ｄの円周方向の幅と凸条１１ａの幅、及び窓１２ａ〜１２ｄとの円周方向の相対位置関係が設定される。即ち、凸条１１ａに対する窓１２ａ及び１２ｃと窓１２ｂ及び１２ｄとの円周方向の位置関係は互いに逆になっている。

また、窓１２ａ〜１２ｄとヨーク１５ａ〜１５ｄの軸方向の位置関係は、図４に示すように、ヨーク１５ａ〜ヨーク１５ｄのフランジ部の軸方向の厚みであるヨーク幅Ｗｙ内に窓１２ａ及び１２ｃと窓１２ｂ及び１２ｄとの軸方向の両端部が位置するように設定されている。このように窓１２ａ，１２ｃ及び１２ｂ，１２ｄとヨーク１５ａ，１５ｃ及び１５ｂ，１５ｄの軸方向の位置関係を設定する理由は、通常ステアリング装置が、車体側部材にブラケットを介して衝撃荷重を吸収する衝撃吸収（ＥＡ：Ｅｎｅｒｇｙ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）ストロークを確保するように支持されているので、この衝撃吸収ストロークの作動を検出可能とするためである。

そして、操舵系が直進状態にあって操舵トルクが零である場合はトーションバー３には捩れが発生せず、入力軸１と出力軸２とは相対回転しない。したがって入力軸１の側にあるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと、出力軸２の側にある円筒部材１２との間にも相対回転が生じない。

一方、ステアリングホイールを操作して入力軸１に回転力が加わると、その回転力はトーションバー３を経て出力軸２に伝達される。このとき、出力軸２には舵輪と路面との間の摩擦力や出力軸２に結合されているステアリング機構のギヤの噛み合い等の摩擦力が作用するため、入力軸１と出力軸２との間を結合するトーションバーに捩れが発生し、入力軸１の側にあるセンサシャフト部１１の表面の凸条１１ａと出力軸２の側にある円筒部材１２との間に相対回転が生じる。

円筒部材１２に窓がない場合は、円筒部材１２は導電性で且つ非磁性材で構成されていることから、検出コイル１３に交流電流を流して交番磁界を発生させると、円筒部材１２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電流による磁界とを重畳すると、円筒部材１２の内側の磁界は相殺される。
円筒部材１２に窓が形成されている場合は、円筒部材１２の外周面に発生した渦電流は、窓１２ａ及び１２ｂによって外周面を周回できないため、窓１２ａ及び１２ｂの端面に沿って円筒部材１２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１２ａ及び１２ｂの端面に沿って外周面側に戻り、ループを形成する。つまり、検出コイル内側に渦電流のループを、円周方向に周期的に配置した状態が発生する。コイル電流による磁界と渦電流による磁界とは重畳され、円筒部材１２の内外には、円周方向に周期的に強弱変化する磁界と、中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持った磁界が形成される。円周方向の周期的な磁界の強弱は、隣り合う渦電流の影響を受ける窓１２ａ，１２ｃ及び１２ｂ，１２ｄの中心で強く、そこからずれるに従い弱くなる。

円筒部材１２の内側には、磁性材料からなるセンサシャフト部１１が同軸に配置されており、その凸条１１ａは、窓１２ａ，１２ｃ及び１２ｂ，１２ｄと同じ周期で配置されている。磁界中に置かれた磁性体は磁化して磁束を生じるが、磁束の量は飽和するまでは磁界の強さに応じて大きくなる。このため、円筒部材１２により円周方向の周期的な磁界の強弱と中心に向かうほど小さくなる半径方向に勾配を持った磁界とにより、センサシャフト部１１に発生する磁束は、円筒部材１２とセンサシャフト部１１との相対的な位相により増減する。磁束が最大となる位相は、円筒部材１２の窓１２ａ，１２ｃ及び１２ｂ，１２ｄの中心とセンサシャフト部１１の凸条１１ａの中心とが一致した状態で、磁束の増減に応じて検出コイル１３ａ，１３ｂ及び１３ｃ，１３ｄのインダクタンスも増減し、略正弦波状に変化する。

トルクが作用しない状態では、インダクタンスが最大となる位相（窓１２ａ，１２ｃ及び１２ｂ，１２ｄと凸条１１ａの中心とが一致している位相）に対して、センサシャフト部１１の凸条１１ａの中心は凸条１１ａの中心角ｃの１／２だけずれた位置に設定されているから、トルクが作用してトーションバー３が捩れ、センサシャフト部１１と円筒部材１２との間に位相差が生じると、２つの検出コイル１３ａ,１３ｃ及び１３ｂ，１３ｄのインダクタンスは、一方が増加し他方が減少する。

図５は操舵トルクＴと検出コイル１３ａ（又は１３ｃ）及び１３ｂ（又は１３ｄ）のインダクタンスの変化との関係を示す特性線図で、横軸は操舵トルクＴ、縦軸はインダクタンスＬを示す。右操舵トルク発生時は、図３（ａ）及び（ｂ）においてセンサシャフト部１１が反時計方向に回転するから、図５の特性曲線Ｌ ₁₃ に示すように、トルクが増大するにつれ検出コイル１３ａ，１３ｃ（又は１３ｂ，１３ｄ）のインダクタンスは増加し、図５の特性曲線Ｌ ₁₄ に示すように、検出コイル１３ｂ，１３ｄ（又は１３ａ，１３ｃ）のインダクタンスは減少する。

また、左操舵トルク発生時は、図３（ａ）及び（ｂ）においてセンサシャフト部１１が時計方向に回転するから、図５の特性曲線Ｌ ₁₃ に示すように、トルクが増大するにつれ検出コイル１３ａ，１３ｃ（又は１３ｂ，１３ｄ）のインダクタンスは減少し、図５の特性曲線Ｌ ₁₄ に示すように、検出コイル１３ｂ，１３ｄ（又は１３ｂ，１３ｄ）のインダクタンスは増加する。
図５の特性曲線Ｌ ₁₃ 、Ｌ ₁₄ に示すインダクタンスの特性は比例して出力される電圧にそのまま置き換えることができ、特性曲線Ｌ ₁₃ 、Ｌ ₁₄ に示すインダクタンスの特性を電圧に置き換えると、検出コイル１３ａ（又は１３ｃ）の検出トルク電圧、検出コイル１３ｂ（又は１３ｄ）の検出トルク電圧と操舵トルクＴとの関係になり、両検出トルク電圧の交点である中立電圧が本実施形態では２．５Ｖとなるように調整されている。この電圧クロス特性から検出コイル１３ａ（又は１３ｃ）の検出トルク電圧と検出コイル１３ｂ（又は１３ｄ）の検出トルク電圧との合計値は２．５＋２．５＝５．０Ｖとなる。

一方、入力軸１に衝撃荷重が付加されていない状態では、図４について前述したように、円筒部材１２の窓１２ａ及び１２ｂの軸方向の両端部がそれぞれヨーク１５ａ及び１５ｂのフランジ部に対向する位置となっており、図５について前述した操舵トルクに対して特性曲線Ｌ ₁₃ 、Ｌ ₁₄ に示すようにインダクタンスがクロス特性となるものであるが、入力軸に衝撃荷重が付加されて、入力軸１が軸方向にラック軸４の方向に移動し、これに応じて出力軸２もラック軸４の方向に移動した場合に、窓１２ａ及び１２ｂが軸方向に移動することにより、検出コイル１３ａ〜１３ｄに通電したときのセンサシャフト部１１の凸条１１ａとの間で発生する磁路が変化して検出コイル１３ａ〜１３ｄの出力が変化する。

図６は、回路基板１８に搭載されるトルク演算処理部２０及び軸方向変位検出部４０のブロック図である。
トルク演算処理部２０は、トルク検出部１０の軸方向両端側の一対の検出コイル１３ａ及び１３ｂを使用して第１のトルクを検出する第１トルク検出系統と、軸方向中央側の一対の検出コイル１３ｃ及び１３ｄを使用して第２のトルクを検出する第２トルク検出系統とを構成するように同一構成を有する２組のトルク演算部２１Ａ及び２１Ｂを備えている。

なお、トルク演算部２１Ａ及び２１Ｂに所定周波数の交流信号を出力する交流信号源２００と、トルク演算部２１Ａ及び２１Ｂからそれぞれ出力されるメイントルク及びサブトルクが入力されるノイズフィルタ２０２及びノイズフィルタ２０２から出力されるフィルタ出力を外部の図示しない電動モータを操舵補助制御するコントロールユニット３０に出力するコネクタ２０３とはトルク演算部２１Ａ及び２１Ｂに対して共通に設けられている。また、コネクタ２０３に入力される電源及び基準電源がノイズフィルタでフィルタ処理されて電源電圧Ｖ及び基準電圧Ｖｒｅｆとして交流信号源２００とトルク演算部２１Ａ及び２１Ｂとに供給される。

ここで、交流信号源２００は、所定周波数の交流信号を発生する発振部２０１と、この発振部２０１から出力される交流信号を電流増幅してトルク演算部２１Ａ及び２１Ｂに供給する電流増幅部２１１Ａ及び２１１Ｂを備えている。
トルク演算部２１Ａは、一対の検出コイル１３ａ及び１３ｂの一端が互い接続されて接地され、他端に抵抗Ｒ１ａ及びＲ１ｂが直列に接続され、これら抵抗Ｒ１ａ及びＲ１ｂの他端を互いに接続した構成を有するブリッジ回路２１０Ａを備えている。

同様に、トルク演算部２１Ｂは、一対の検出コイル１３ｃ及び１３ｄの一端が互い接続されて接地され、他端に抵抗Ｒ２ａ及びＲ２ｂが直列に接続され、これら抵抗Ｒ２ａ及びＲ２ｂの他端を互いに接続した構成を有するブリッジ回路２１０Ｂを備えている。
これらブリッジ回路２１０Ａ及び２１０Ｂでは、入力軸１にトルクが作用していない状態では、検出コイル１３ａ，１３ｃ及び１３ｂ，１３ｄの両端に表れる電圧がそれぞれ等しくなるように、つまり差分電圧が０となるように予め抵抗Ｒ１ａ、Ｒ１ｂ及びＲ２ａ、Ｒ２ｂの抵抗値が調整されている。

そして、ブリッジ回路２１０Ａ及び２１０Ｂの抵抗Ｒ１ａ、Ｒ１ｂの接続点及び抵抗Ｒ２ａ、Ｒ２ｂの接続点がそれぞれ交流信号源２００の電流増幅部２１１Ａ及び２１１Ｂに個別に接続されて、交流電圧信号Ｖｏｓｃ１及びＶｏｓｃ２ｃが入力される。
また、トルク演算部２１Ａは、ブリッジ回路２１０Ａの検出コイル１３ａ及び１３ｂの両端に表れるインピーダンス変化に応じた電圧信号が入力されるとともに、交流電圧信号Ｖｏｓｃ１が入力されたメイン増幅・全波整流部２１２Ａと、このメイン増幅・全波整流部２１２Ａから出力される整流信号が入力されるメイン平滑・中立調整部２１３Ａを有する。ここで、メイン増幅・全波整流部２１２Ａでは、検出コイル１３ａ及び１３ｂの両端に表れる電圧信号の差分信号Ｖｄｅｆを算出し、この差分信号Ｖｄｅｆを増幅するとともに、整流して整流信号をメイン平滑・中立調整部２１３Ａに出力する。

また、メイン平滑・中立調整部２１３Ａでは、メイン増幅・全波整流部２１２Ａから入力される整流信号を平滑化するとともに、中立電圧を調整してトルク検出信号としてノイズフィルタ２０２に出力する。そして、ノイズフィルタ２０２でフィルタ処理されたトルク検出信号がコネクタ２０３を介してメイン検出トルク信号Ｔｍ１として操舵補助制御を行うコントロールユニット３０に出力される。

また、トルク演算部２１Ａは、ブリッジ回路２１０Ａの検出コイル１３ａ及び１３ｂの両端に表れる電圧信号が入力されるとともに、交流電圧信号Ｖｏｓｃ１が入力されたサブ増幅・全波整流部２１４Ａと、このサブ増幅・全波整流部２１４Ａから出力される整流信号が入力されるサブ平滑・中立調整部２１５Ａを有する。ここで、サブ増幅・全波整流部２１４Ａでは、検出コイル１３ａ及び１３ｂの両端に表れる電圧信号の差分信号Ｖｄｅｆを算出し、この差分信号Ｖｄｅｆを増幅するとともに、整流して整流信号をサブ平滑・中立調整部２１５Ａに出力する。また、サブ平滑・中立調整部２１５Ａでは、サブ増幅・全波整流部２１４Ａから入力される整流信号を平滑化するとともに、中立電圧を調整してトルク検出信号としてノイズフィルタ２０２に出力する。そして、ノイズフィルタ２０２でフィルタ処理されたトルク検出信号がコネクタ２０３を介してサブ検出トルク信号Ｔｓ１として操舵補助制御を行うコントロールユニット３０に出力される。

さらに、トルク演算部２１Ａは、前述した特許文献１に記載されているように、交流電圧信号Ｖｏｓｃ１及びサブ増幅・全波整流部２１４Ａから出力されるブリッジ回路２１０Ａの差分信号Ｖｄｅｆに基づいて検出コイル１３ａ又は１３ｂと抵抗Ｒ１ａ又はＲ１ｂとの接触不良等をブリッジ回路の差分電圧の変化で検出するとともに、基準電圧に対する位相ずれに基づいて回路系の異常を検出し、異常を検出したときに異常信号ＡＢ１を出力する。すなわち、監視部２１６Ａでは、印加した交流信号の波形と、ブリッジ回路の差分電圧の信号である差分信号Ｖｄｅｆの波形との位相差を検出し、位相差が所定値を超えたときに検出コイル、抵抗若しくは回路が異常であると判定して異常信号ＡＢ１を出力する。

この監視部２１６Ａから出力される異常信号ＡＢ１はサブ平滑・中立調整部２１５Ａに供給され、このサブ平滑・中立調整部２１５Ａでは、異常信号ＡＢ１が入力されると、出力するトルク検出信号を０Ｖに設定する。これにより、メイントルク信号との図４に示すクロストルク特性のバランスが崩れることにより、コントロールユニット３０が故障を検出することができる。このため、コントロールユニット３０で操舵補助用電動モータ３１の駆動に使用するメイン側のメイン平滑・中立調整部２１３Ａには異常信号ＡＢ１は入力されない。

同様に、トルク演算部２１Ｂでも、トルク演算部２１Ａと同様の構成を有するメイン増幅・全波整流部２１２Ｂ、メイン平滑・中立調整部２１３Ｂ、サブ増幅・全波整流部２１４Ｂ、サブ平滑・中立調整部２１５Ｂ及び監視部２１６Ｂを備えている。
コントロールユニット３０は、図６に示すように、トルクセンサＴＳからメイン検出トルク信号Ｔｍ１、Ｔｍ２及びサブ検出トルク信号Ｔｓ１、Ｔｓ２が入力されている。このコントロールユニット３０は、入力されたメイン検出トルク信号Ｔｍ１、Ｔｍ２及びサブ検出トルク信号Ｔｓ１、Ｔｓ２に基づいて信号監視を行う異常判定部３２と、メイン検出トルク信号Ｔｍ１、Ｔｍ２に基づいて操舵補助制御を行って操舵補助用電動モータ３１を駆動制御する操舵補助制御部３３とを備えている。

異常判定部３２は、メイン検出トルク信号Ｔｍ１及びＴｍ２が所定値（例えば０．３Ｖ）以下か否かで断線や地絡を検出し、所定値（例えば４．７Ｖ）以上か否かで天絡を検出する。また、サブ検出トルク信号Ｔｓ１及びＴｓ２が所定値（例えば０．３Ｖ）以下か否かで断線や地絡を検出するとともに、トルク演算回路の自己診断を行い、所定値（例えば４．７Ｖ）以上か否かで天絡を検出する。さらに、メイン検出トルク信号Ｔｍ１、Ｔｍ２とサブ検出トルク信号Ｔｓ１、Ｔｓ２の各加算値が所定値（例えば５．３Ｖ）以上若しくは所定値（例えば４．７Ｖ）以下か否かで、図４に示すクロス特性から外れる異常を検出する。

そして、操舵補助制御部３３では、上記異常判定部３２によって異常が検出されない正常状態では、メイン検出トルク信号Ｔｍ１を用いて操舵補助電流指令値を演算し、演算した操舵補助電流指令値と、操舵補助用電動モータ３１に供給するモータ電流の検出値との偏差を例えばＰＤ制御処理して操舵補助電圧指令値を算出し、算出した操舵補助電圧指令値に基づいてモータ駆動回路３４を制御する駆動信号を形成し、この駆動信号をモータ駆動回路３４に出力する。
ここで、サブ検出トルク信号Ｔｓ１、Ｔｓ２はトルクセンサの異常監視に利用されるのみで、操舵補助用電動モータの駆動には利用されない。

異常判定部３２で、トルクセンサＴＳの第１トルク検出系統の異常が判定された場合に、第２トルク検出系統が正常であるときには、第１トルク検出系統のメイン検出トルク信号Ｔｍ１に代えて第２トルク検出系統のメイン検出トルク信号Ｔｍ２を用いて操舵補助制御部３３で操舵補助制御を継続する。
さらに、異常判定部３２で、第１トルク検出系統及び第２トルク検出系統の双方の異常が判定された場合には、操舵補助制御部３３で、正常な過去トルク値を使用して操舵補助用電動モータを駆動し、操舵補助トルクを徐々に減少させるトルク漸減処理を行い、安全に操舵補助制御を停止させるフェールセーフモードに移行する。

また、軸方向変位検出部４０は、例えば、ブリッジ回路２１０Ａの検出コイル１３ａ及び１３ｂの両端に表れる電圧信号が入力されたマイクロコンピュータ等の演算処理装置で構成され、所定時間毎に検出コイル１３ａ及び１３ｂの両端に表れる電圧信号の変化を検出して出力軸２の軸方向変位を検出している。
すなわち、軸方向変位検出部４０では、図７に示す軸方向変位検出処理を実行する。この軸方向変位検出処理は、図７に示すように、所定時間（例えば１００ｍｓｅｃ）毎のタイマ割込処理として実行され、先ず、ステップＳ１で、ブリッジ回路２１０Ａから出力される検出コイル１３ａ及び１３ｂの両端に表れる現在の電圧信号Ｖａ(n)及びＶｂ(n)を読込み、ＲＡＭ等に形成した２段のシフトレジスタ構成を有する電圧信号記憶領域の初段に記憶する。

次いで、ステップＳ２に移行して、電圧信号記憶領域に記憶されている前回の処理時に読込んだ電圧信号Ｖａ(n-1)及びＶｂ(n-1)を読出し、下記（１）式及び（２）式の演算を行って電圧変化量ΔＶａ及びΔＶｂを算出する。
ΔＶａ＝Ｖａ(n)−Ｖａ(n-1) …………（１）
ΔＶｂ＝Ｖｂ(n-1)−Ｖｂ(n) …………（２）

次いで、ステップＳ３に移行して、電圧変化量ΔＶａが予め設定した通常時のトルク変化に応じた電圧変化量より大きな閾値ΔＶｓ１以上であるか否かを判定し、ΔＶａ≧ΔＶｓ１であるときには、電圧変動が大きいものと判断してステップＳ４に移行する。
このステップＳ４では、電圧変化量ΔＶｂが予め設定した通常時のトルク変化に応じた電圧変化量より大きな閾値ΔＶｓ２以上であるか否かを判定し、ΔＶｂ≧ΔＶｓ２であるときには、電圧変化量ΔＶｂが通常時より大きく、出力軸２すなわち円筒部材１２が軸方向に変位したものと判断してステップＳ５に移行する。
このステップＳ５では、論理値“１”の軸方向変位検出信号Ｓｓを外部の制御装置に出力してからタイマ割込処理の実行を終了する。

一方、前記ステップＳ３の判定結果が、ΔＶａ＜ΔＶｓ１であるとき及び前記ステップＳ４の判定結果がΔＶｂ＜ΔＶｓ２であるときにはステップＳ６に移行して、論理値“０”の軸方向変位検出信号Ｓｓを出力してからタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
外部の制御装置では、論理値“１”の軸方向変位検出信号Ｓｓが入力される各種電気系統の遮断動作、エアバッグの動作等の運転者の安全を確保するために必要な動作を行う。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
先ず、入力軸１に衝撃荷重が付加されていない状態で、図示しないステアリングホイールを操舵していない状態では、入力軸１にトルクが伝達されないので、トーションバー３が捩じれることはなく、センサシャフト部１１の凸条１１ａと円筒部材１２の窓１２ａ及び１２ｂとは図３（ａ）及び（ｂ）の関係を保っており、検出コイル１３ａ及び１３ｃのインダクタンス及び検出コイル１３ｂ及び１３ｄのインダクタンスが図５の特性曲線Ｌ１３及びＬ１４のクロスする点となって、互いに等しい値となっている。

このため、ブリッジ回路２１０Ａにおいて、検出コイル１３ａ及び１３ｂの端子間電圧が等しくなり、メイン増幅・全波整流部２１２Ａ及びサブ増幅全波整流部２１４Ａから出力される検出トルクがともに零となり、コネクタ２０３からメイン検出トルク信号Ｔｍ１及びサブ検出トルク信号Ｔｓ１がコントロールユニット３０に出力される。
同様に、ブリッジ回路２１０Ｂにおいても、検出コイル１３ｃ及び１３ｄの端子間電圧が等しくなり、メイン増幅・全波整流部２１２Ｂ及びサブ増幅全波整流部２１４Ｂから出力される検出トルクがともに零となり、コネクタ２０３からメイン検出トルク信号Ｔｍ２及びサブ検出トルク信号Ｔｓ２がコントロールユニット３０に出力される。

この状態では、コントロールユニット３０の異常判定部３２でトルク演算部２１Ａ及び２１Ｂが正常であると判定されて、操舵補助制御部３３でメイン検出トルク信号Ｔｍ１に基づいて操舵補助制御処理が行われる。しかしながら、メイン検出トルク信号Ｔｍ１が零であるので、モータ駆動回路３４による操舵補助用電動モータ３１の駆動は停止されている。
このステアリングホイールの非操舵状態からステアリングホイールを右操舵（又は左操舵）すると、前述したように、検出コイル１３ａ及び１３ｃのインダクタンスが増加（又は減少）し、検出コイル１３ｂ及び１３ｄのインダクタンスが減少（又は増加）する。このインダクタンスの変化に応じてブリッジ回路２１０Ａ及び２１０Ｂから出力される差分電圧が正（又は負）となる。したがって、メイン増幅・全波整流部２１２Ａ及び２１２Ｂとサブ増幅・全波整流部２１４Ａ及び２１４Ｂから出力される検出トルクが正方向（又は負方向）に増加し、これに応じたメイン検出トルク信号Ｔｍ１及びＴｍ２とサブ検出トルク信号Ｔｓ１及びＴｓ２がコネクタ２０３を介してコントロールユニット３０に出力される。

このため、操舵補助制御部３３で、メイン検出トルク信号Ｔｍ１に基づいて操舵補助制御処理が行われて、操舵補助電圧指令値が演算されて、これがモータ駆動回路３４に出力されることにより、操舵補助用電動モータ３１が正転（又は逆転）駆動されて、ステアリングホイールから入力された操舵トルクに応じた操舵補助トルクを発生する。
この正常状態から異常判定部３２で第１のトルク検出系統が異常であると判定されたときには、第２のトルク検出系統が正常である状態では、操舵補助制御部３３で、トルク演算部２１Ｂのメイン増幅・全波整流部２１２Ｂ及びメイン平滑・中立調整部２１３Ｂで演算されたメイン検出トルク信号Ｔｍ２に基づいて操舵補助制御が継続されてモータ駆動回路３４が制御され、このモータ駆動回路３４から出力されるモータ電流で操舵補助用電動モータ３１が駆動され、操舵トルクに応じた操舵補助トルクが発生される。

さらに、異常判定部３２で、第１のトルク検出系統及び第２のトルク検出系統の双方が異常である判定されたときには、操舵補助制御部３３で、正常な過去トルク値を使用して操舵補助用電動モータを駆動し、操舵補助トルクを徐々に減少させるトルク漸減処理を行い、安全に操舵補助制御を停止させるフェールセーフモードに移行する。
このように、トルクセンサＴＳに２つのトルク検出系統を設けているので、一方のトルク検出系統に異常が発生しても、操舵補助制御を正常に継続することができる。

一方、軸方向変位検出部４０では、図７に示す軸方向変位検出処理をタイマ割込処理として実行しており、入力軸１に衝撃荷重が付加されていない状態では、円筒部材１２の窓１２ａ及び１２ｂとヨーク１５ａ及び１５ｂとの軸方向の位置関係は、図４に示すように、窓１２ａの軸方向右端がヨーク１５ａの軸方向右端側のフランジ部に対向し、窓１２ａの軸方向左端がヨーク１５ａの軸方向左端側のフランジ部に対向している。同様に、窓１２ｂの軸方向右端がヨーク１５ｂの軸方向右端側のフランジ部に対向し、窓１２ｂの軸方向左端がヨーク１５ｂの軸方向左端側のフランジ部に対向している。

したがって、検出コイル１３ａ及び１３ｃは窓１２ａ及び１２ｃに対向し、検出コイル１３ｂ及び１３ｄは窓１２ｂ及び１２ｄに対向している。このため、検出コイル１３ａのインダクタンスと検出コイル１３ｂのインダクタンスは一方が増加すると他方が減少することになり、ステップＳ２で算出される電圧変化量ΔＶａ及びΔＶｂは略等しい値となる。すなわち、トルクが大きい場合には、電圧変化量ΔＶａ及びΔＶｂがともに大きな値となり、逆にトルクが小さい場合には電圧変化量ΔＶａ及びΔＶｂがともに小さな値となる。

このため、ステップＳ３でΔＶａ≧ΔＶｓ１と判定されたときには、ステップＳ４でΔＶｂ≧ΔＶｓ２と判定されることにより、ステップＳ６に移行して、円筒部材１２の軸方向変位が生じていないことを表す論理値“０”の軸方向変位検出信号Ｓｓが外部の制御装置に出力される。
また、ステップＳ３でΔＶａ＜ΔＶｓ１と判定されたときには直ちにステップＳ６に移行して、論理値“０”の軸方向変位検出信号Ｓｓが外部の制御装置に出力される。

ところが、入力軸１に衝撃荷重が付加された場合には、この衝撃荷重がトーションバー３を介して出力軸２に伝達されることから円筒部材１２がラック軸４側に軸方向変位する。
この円筒部材１２の軸方向変位によって、図４に示す窓１２ａの右端がヨーク１５ａの軸方向右端側のフランジ部より右側に突出し、窓１２ｂの右端も右側に移動してヨーク１５ａの軸方向左端側のフランジ部に対向する状態となると、ヨーク１５ｂの軸方向左端側のフランジ部には窓１２ｂが対向しない状態となる。

このため、ヨーク１５ａ及び１５ｂとセンサシャフト部１１の凸条１１ａとの対向面積は、ヨーク１５ａの対向面積がヨーク１５ｂの対向面積より大きくなり、ヨーク１５ａに対向する凸条１１ａを通る磁束が増加し、ヨーク１５ｂに対向する凸条１１ａを通る磁束が大きく減少する。したがって、検出コイル１３ａのインダクタンスが急操舵時のトルク変化に基づくインダクタンス変化より大きく増加し、同様に検出コイル１３ｂのインダクタンスが急操舵時のトルク変化に基づくインダクタンス変化より大きく低下する。

このため、ブリッジ回路２１０Ａから出力される電圧信号Ｖａはトルクに応じた値より大きな値となり、電圧信号Ｖｂはトルクに応じた値より小さい値となるので、図７の軸方向変位検出処理が実行されたときに、ステップＳ３では電圧変化量ΔＶａが閾値ΔＶｓ１より大きくなるため、ステップＳ４に移行する。このステップＳ４では、電圧変化量ΔＶｂが閾値ΔＶｓ２より大きくなるので、円筒部材１２が軸方向に変位したものと判断してステップＳ５に移行し、軸方向変位を生じたことを表す論理値“１”の軸方向変位検出信号Ｓｓを外部の制御装置に出力する。

このため、外部制御装置では、軸方向変位検出信号Ｓｓが論理値"０"から論理値"１"に変化するので、入力軸１に衝撃荷重が付加されたことを検知することができ、各種電気系統の遮断動作、エアバッグの動作等の運転者の安全を確保するために必要な動作を行うことができる。
このように上記実施形態では、ヨーク１５ａ及び１５ｂ内に装着される検出コイル１３ａ及び１３ｂがそれぞれ窓１２ａ及び１２ｂに対向し、ヨーク１５ｃ及び１５ｄ内に装着されるコイル１３ｃ及び１３ｄがそれぞれ窓１２ｃ及び１２ｄに対向するので、ヨーク内の検出コイル同士のトルクに対するインダクタンス特性が同一となり、ヨークを共用することができ、４つの検出コイル毎にヨークを形成する場合に比較して軸方向長さを短くすることができる。

しかも、軸方向に配列された検出コイル１３ａ〜１３ｄのうち、軸方向両端側の検出コイル１３ａ及び１３ｄと抵抗体とを組み合わせてブリッジ回路２１０Ａを構成し、軸方向中央側の検出コイル１３ｂ及び１３ｃと抵抗体とを組み合わせてブリッジ回路２１０Ｂを構成するので、ブリッジ回路を構成する２つのコイル間で磁気的対称性を取ることができ、磁路構成の影響を取り除くことができる。これにより、温度などによる影響を受けにくく、従来例に比較して安定したトルクを検出することができる。
さらに、トルクセンサＴＳのトルク演算処理部２０が前述した構成を有するので、メイン検出トルク信号Ｔｍ１及びＴｍ２とサブ検出トルク信号Ｔｓ１及びＴｓ２との４つの検出トルク信号に基づいてトルク演算部の異常を判定することが可能となり、信頼性の高い電動パワーステアリング装置を提供することができる。

その上、入力軸１に衝撃荷重が付加されて円筒部材１２が軸方向に変位した場合に、この円筒部材の軸方向の変位を検出コイルに交流信号を印加したときのインピーダンスの変化として検出することができ、別途特別な変位検出センサを設けることなく、円筒部材１２の軸方向変位を容易に検出することができる。
なお、上記実施形態においては、コントロールユニット３０側に異常判定部３２を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、トルク演算処理部２０側に異常判定部３２を設け、この異常判定部３２の異常判定結果をコントロールユニット３０に通知するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、ブリッジ回路２１０Ａの電圧信号Ｖａ及びＶｂに基づいて軸方向変位を検出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ブリッジ回路２１０Ｂの電圧信号Ｖｃ及びＶｄに基づいて軸方向変位を検出するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態においては、軸方向変位検出部４０で、電圧変化量ΔＶａ及びΔＶｂを算出して、軸方向変位を検出する場合について説明したが、電圧変化量ΔＶａ及びΔＶｂに代えて、電圧変化速度を検出して軸方向変位を検出するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、一対のヨーク１５ａ及び１５ｂと１５ｃ及び１５ｄとの２組の一対のヨークを軸方向に形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、一対のヨーク１５ａ及び１５ｂのみを設ける場合でも、トルクの検出と円筒部材１２の軸方向変位との双方を検出することができる。
また、上記実施形態においては、本発明によるトルクセンサＴＳを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、これに限定されるものではなく、電動パワーステアリング装置以外にも回転軸のトルクを検出する場合に本発明によるトルクセンサＴＳを適用することができる。

１…入力軸、２…出力軸、３…トーションバー、５…ハウジング、５ａ…入力軸側ハウジング部、５ｂ…出力軸側ハウジング部、７…ウォームホイール、８…ウォーム、ＴＳ…トルクセンサ、１０…トルク検出部、１１…センサシャフト、１２…円筒部材、１３ａ〜１３ｄ…検出コイル、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ…ヨーク、１６…シールド板、１７…出力線、１８…回路基板、２０…トルク演算処理回路、２１Ａ，２１Ｂ…トルク演算部、３０…コントロールユニット、３１…操舵補助用電動モータ、３２…異常判定部、３３…操舵補助制御部、３４…モータ駆動回路、４０…軸方向変位検出部、２００…交流信号源、２０１……発振部、２０２…ノイズフィルタ、２０３…コネクタ、２１０Ａ，２１０Ｂ…ブリッジ回路、２１１Ａ，２１１Ｂ…電流増幅部、２１２Ａ，２１２Ｂ…メイン増幅・全波整流部、２１３Ａ，２１３Ｂ…メイン平滑・中立調整部、２１４Ａ，２１４Ｂ…サブ増幅・全波整流部、２１５Ａ，２１５Ｂ……サブ平滑・中立調整部、２１６Ａ，２１６Ｂ…監視部

Claims (4)

1. 軸方向の両端から内方に延長するフランジ部を形成して内周面を開放した断面コ字状で円環状を有し、内部に検出コイルを配置した一対のヨークを軸方向に隣接させて固定配置し、
   該一対のヨークの内周面側に当該一対のヨークと所定間隔を保って対向して円筒部材を配置し、
   該円筒部材の内周面側に、軸方向の凸条を円周方向に所定間隔で形成し、伝達されるトルクに応じて当該円筒部材と相対回転されるセンサシャフト部を配置し、
   前記円筒部材に、前記一対のヨークに個別に対向し、円周方向に位置を異ならせて前記一対のヨークの検出コイルで互いに逆方向にインピーダンスを変化させる一対の窓を、各窓の軸方向の一端が、対向するヨークの前記軸方向の一端側のフランジ部の軸方向の厚み内に位置し、かつ、各窓の軸方向の他端が、対向するヨークの前記軸方向の他端側のフランジ部の軸方向の厚み内に位置するように形成し、
   前記一対のヨークの各々に配置された一対の検出コイルのインピーダンスに基づいてトルクを演算するトルク演算部と、
   前記一対の検出コイルのインピーダンス変化を検出して前記円筒部材の軸方向変位を検出する軸方向変位検出部と
   を備えたトルクセンサ。
2. 前記一対のヨークを２組軸方向にシールド板を介して配置し、
   前記トルク演算部は、
   前記２組の一対のヨークのうちの一方の組の一対のヨークに配置された一対の検出コイルとこれらに直列に接続した抵抗体とで構成される第１のブリッジ回路と、
   前記２組の一対のヨークのうちの他方の組の一対のヨークに配置された一対の検出コイルとこれらに直列に接続した抵抗体とで構成される第２のブリッジ回路と、
   前記第１のブリッジ回路及び第２のブリッジ回路に個別に交流信号を印加したときの差分信号に基づいて少なくとも２組の検出トルクを演算するトルク演算回路と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 請求項１又は２に記載のトルクセンサを備え、該トルクセンサの検出トルクに基づいてステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生する電動モータを駆動して操舵補助制御を行う操舵補助制御部を有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
4. 請求項１又は２に記載のトルクセンサを備え、該トルクセンサの検出トルクに基づいてステアリング機構に伝達する操舵補助トルクを発生する電動モータを駆動して操舵補助制御を行う操舵補助制御部と、前記トルクセンサの複数のトルク演算部から出力される複数の検出トルクに基づいて前記トルクセンサのトルク検出部の異常を判定する異常判定部とを有することを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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