(57)【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、前記制御演算部により、前記コイルを駆動させ、そ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、前記コイルの非駆動時であって前記サンプリング時以外の時に、サンプリングホールド値に基づいて、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出するようにした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ータで補助負荷付勢するようになっている電動パワー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ー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ールドの合間に、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ールド後のＡ／Ｄ値に基づいて、コイル、差動増幅器及びサンプルホールド部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サンプルホー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。
【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３Ａ、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ＣＰＵ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２０１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２０３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２０５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２００Ａ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６３−４５５２８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、前記制御演算部により、前記コイルを駆動させ、そ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、前記コイルの非駆動時であって前記サンプリング時以外の時に、サンプリングホールド値に基づいて、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出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ータで補助負荷付勢するようになっている電動パワー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し、前記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できる制御演算部を設けると共に、各部の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っていないサンプルホールドの合間に、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タイミングの前記サンプルホールド後のＡ／Ｄ値に基づいて、コイル、差動増幅器及びサンプルホールド部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ー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１００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１０３ｂ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１０３ａ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２０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，,・・・・・，１０４ａが形成され、スリーブ２Ａから遠い側には、窓１０４ａ,・・・・・，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１０４ａ,・・・・・，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１０４ｂ，・・・・，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１０４ｂ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１０４ａ,・・・・・，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１０４ｂ,・・・・・，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Ｒｏ，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Ｖ２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ＰＮＰ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１１１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２２３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２３０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２４０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１１０，１１１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−１０２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１０４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，１０４ｂ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１０４ａ，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、図８に示すように、方形波電圧Ｖ１すなわちＶ２（なお、上記したように電圧Ｖ２は制御電圧Ｖ１を反転した方形波となっている）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Ｖ１すなわちＶ２が立ち上がっている間だけであるから、電圧Ｖ１すなわち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Ｖ１すなわち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２３０でオン／オフ制御される制御電圧Ｖ１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２２５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２３０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２２３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渡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。付言すれば、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し、かつ、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。
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ールドの合間に、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。付言すれば、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ー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た。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系統化を実現した。
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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