(57)【要約】【課題】操舵軸を通じて磁歪式トルクセンサに過大な捩りトルクが加わった場合であっても、センサ出力である操舵トルク信号に発生するヒステリシスを抑制する磁歪式トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】操舵軸（センサ軸１７）に設けられた磁歪膜ｍｆを囲繞するように巻回された検出コイル４１〜４４の他に、磁歪膜ｍｆを囲繞するように巻回した別の多重巻コイルであるバイアスコイル４０に直流成分電流を通電することによって磁歪膜ｍｆに十分なバイアス磁界を印加し、ヒステリシスを抑制する。【選択図】図２
2014219217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気異方性を有する磁歪膜が設けられた軸材と、
前記磁歪膜を囲繞するように前記軸材に巻回され、交流成分電流が通電されて前記磁歪膜を励磁し、前記軸材に加えられたトルクによって変化する前記磁歪膜の磁気特性の変化を検出する多重巻の複数の検出コイルと、
前記検出コイルとは別体であって、前記磁歪膜を囲繞するように前記軸材に巻回される多重巻きのバイアスコイルと、を有し、
前記検出コイルに前記交流成分電流を通電する際に、前記バイアスコイルに直流成分電流を通電して、前記磁歪膜にバイアス磁界を印加する
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、
負極電位と正極電位で定義される直流電圧を発生する直流電源の前記正極電位に、前記バイアスコイルの一端側を接続し、前記バイアスコイルの他端側を、一端が前記負極電位に接続され他端が還流ダイオードを通じて前記正極電位に接続されるスイッチング素子の前記他端に接続し、
前記バイアスコイルに通電する前記直流成分電流の大きさを、前記スイッチング素子をスイッチングするパルス幅変調信号のデューティを変化させることで設定する
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁歪式トルクセンサを用いた電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、逆磁歪効果による磁気特性の変化に基づいてトルクを検出する磁歪式トルクセンサ及び前記磁歪式トルクセンサを用いる電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁歪式トルクセンサは、例えば、操向ハンドル（ステアリングホイール）等の操作部材による車両の操舵時に、電動機（以下、モータともいう。）の動力を操舵系（ステアリング系）に補助操舵力（操舵アシスト力）として伝え、運転者による前記操向ハンドル等の前記操作部材の操作負担（操舵負荷）を軽減する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ装置ともいう。ＥＰＳ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）に用いて好適である。
【０００３】
電動パワーステアリング装置に用いられる磁歪式トルクセンサは、例えば、この出願人の出願に係る特許文献１に提案されている。この磁歪式トルクセンサでは、ＮｉＦｅめっきが磁歪膜として用いられている。
【０００４】
図２４に示すように、この磁歪式トルクセンサ３１０は、Ｓ４５ＣやＳＣＭ４２０等の鋼材に熱処理を施した軸材であるセンサ軸３１７に、Ｎｉ６５［％］−Ｆｅ３５［％］のめっき（ＮｉＦｅめっき）を約３０〜４０［μｍ］の厚さで施し磁歪膜ｍｆを設けた後に、センサ軸３１７に一方向の回転トルクを印加した状態で高周波加熱にて磁歪膜ｍｆを加熱し、冷却した後に前記回転トルクを解放して異方性（磁気異方性）ｍａ１を付与し、さらに逆方向に回転トルクを印加した状態でセンサ軸３１７の他の部位を高周波加熱にて磁歪膜ｍｆを加熱し、冷却した後に前記回転トルクを解放して異なる方向の異方性ｍａ２を付与している。
【０００５】
一方の異方性ｍａ１が付与された磁歪膜ｍｆに対して第１検出コイル３４１及び第２検出コイル３４２が巻回され、他方の異方性ｍａ２が付与された磁歪膜ｍｆに対して第３検出コイル３４３及び第４検出コイル３４４が巻回されている。
【０００６】
第１〜第４検出コイル３４１〜３４４は、トルク検出回路としてのインタフェース回路３２０に接続されている。第１及び第３検出コイル３４１、３４３が直列に接続される。第１検出コイル３４１がダンピング抵抗器Ｒｄ（抵抗値もＲｄとする。）を介して直流電圧源Ｖｃｃ（電圧もＶｃｃとする。）に接続され、第３検出コイル３４３がダンピング抵抗器Ｒｅ（抵抗値もＲｅとする。）を介してスイッチング素子３３４に接続されている。ダンピング抵抗器Ｒｅとスイッチング素子３３４との接続点がアノード端子に接続され、カソード端子が直流電圧源Ｖｃｃに接続された還流ダイオード３３６が設けられている。
【０００７】
スイッチング素子３３４を矩形波信号ＰＶＦにて駆動することにより第１及び第３検出コイル３４１、３４３に交流電流を通電している。この場合、センサ軸３１７に図示しない操向ハンドルから操舵トルクを印加することによって磁歪膜ｍｆの異方性ｍａ１、ｍａ２を施した部分の透磁率が変化して第１及び第３検出コイル３４１、３４３のインダクタンスが変化する。例えば第１検出コイル３４１のインダクタンスが増大し第３検出コイル３４３のインダクタンスが減少する。
【０００８】
このとき第１及び第３検出コイル３４１、３４３には同じ交流電流が流れるので、第１及び第３検出コイル３４１、３４３の中点３５１には、第１検出コイル３４１のインダクタンスと電流変化の積による電圧と、第３検出コイル３４３のインダクタンスと電流変化の積による電圧の分圧電圧（中点電圧ともいう。）Ｖ１が現れる。この第１及び第３検出コイル３４１、３４３の中点電圧Ｖ１をボトムホールド回路３３１でホールドし、増幅して出力電圧ＶＴ１を得ている。
【０００９】
同様に、第２及び第４検出コイル３４２、３４４が直列に接続される。第４検出コイル３４４をダンピング抵抗器Ｒｄを介して直流電圧源Ｖｃｃに接続する一方、第２検出コイル３４２を、ダンピング抵抗器Ｒｅを介してスイッチング素子３３４に接続する。スイッチング素子３３４を矩形波信号ＰＶＦにて駆動することにより第２及び第４検出コイル３４２、３４４に交流電流を通電している。この場合、センサ軸３１７に図示しない操向ハンドルから前記操舵トルクを付加することによって磁歪膜ｍｆの異方性ｍａ１、ｍａ２が施された部分の透磁率が変化して第２及び第４検出コイル３４２、３４４のインダクタンスが変化する。例えば第２検出コイル３４２のインダクタンスが増大し第４検出コイル３４４のインダクタンスが減少する。
【００１０】
このとき第２及び第４検出コイル３４２、３４４には同じ交流電流が流れるので、第２及び第４検出コイル３４２、３４４の中点３５２には第４検出コイル３４４のインダクタンスと電流変化の積による電圧と、第２検出コイル３４２のインダクタンスと電流変化の積による電圧の分圧電圧（中点電圧）Ｖ２が現れる。この第２及び第４検出コイル３４２、３４４の中点電圧Ｖ２をボトムホールド回路３３２でホールドし、増幅して出力電圧ＶＴ２を得ている。
【００１１】
さらに、出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２とにより差動増幅器３３３の差動出力である出力電圧を操舵トルク信号ＶＴ３として得、この操舵トルク信号ＶＴ３に基づいて図示しない操舵アシスト用のモータに付与する目標電流を演算している。
【００１２】
さらにまた、出力電圧ＶＴ１及び出力電圧ＶＴ２を用いて故障検出を行っている。具体的には、出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２の和電圧が所定の電圧範囲より外れた場合には磁歪式トルクセンサ３１０が故障であると検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第４５８１００２号公報（図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、上記従来技術に係る磁歪式トルクセンサ３１０を用いた電動パワーステアリング装置を搭載した自動車が、仮に、走行中に誤って車輪を縁石に衝突させてしまった様な場合には、通常の運転時の操舵トルクを大きく上回る過大な捩じりトルク（以下、過大な捩りトルクＴｅｘあるいは、単に過大トルクＴｅｘという。）が操舵軸（センサ軸３１７）に加わる。
【００１５】
このような場合、従来技術に係る磁歪式トルクセンサ３１０では、操舵軸（センサ軸３１７）が過大トルクＴｅｘから解放された状態にもどったときにセンサ出力である中点電圧Ｖ１、Ｖ２に大きなヒステリシス電圧（以下、Ｖｈｓという。）が発生することがあるということが分かった。
【００１６】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、軸材（操舵軸、センサ軸）に過大な捩りトルク（過大トルク）が加わった場合であっても、センサ出力である操舵トルク信号に発生するヒステリシスを抑制することを可能とする磁歪式トルクセンサ及び前記磁歪式トルクセンサを用いる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明に係る磁歪式トルクセンサは、磁気異方性を有する磁歪膜が設けられた軸材と、前記磁歪膜を囲繞するように前記軸材に巻回され、交流成分電流が通電されて前記磁歪膜を励磁し、前記軸材に加えられたトルクによって変化する前記磁歪膜の磁気特性の変化を検出する多重巻の複数の検出コイルと、前記検出コイルとは別体であって、前記磁歪膜を囲繞するように前記軸材に巻回される多重巻きのバイアスコイルと、を有し、前記検出コイルに前記交流成分電流を通電する際に、前記バイアスコイルに直流成分電流を通電して、前記磁歪膜にバイアス磁界を印加することを特徴とする。
【００１８】
ここで、直流成分電流は、前記バイアスコイルに誘導電流と還流電流とを交互に流した場合の平均電流又は直流電流のいずれの電流でもこの発明に含まれる。
【００１９】
この発明によれば、軸材に設けられた磁歪膜を囲繞するように巻回された検出コイルの他に、前記磁歪膜を囲繞するように巻回した別の多重巻コイルに直流成分電流を通電することによってバイアスコイルとし、このバイアスコイルにより前記磁歪膜にバイアス磁界を印加するようにしている。このため、検出コイルをバイアスコイル兼用として使用する従来技術に係る磁歪式トルクセンサでの前記検出コイルの直流抵抗成分の増加を原因とする検出感度の低下を招かずに、磁歪膜に十分なバイアス磁界を印加することができる。
【００２０】
このようにして、検出感度の低下が最小限に抑制されるのでＳ／Ｎの低下を招くことなく、且つ十分なバイアス磁界が印加されるので過大トルクの印加時におけるセンサ出力のヒステリシスを低減することができる。結果として、外乱による過大トルク入力が印加された場合であっても、センサ出力の変化がなく検出精度の高い磁歪式トルクセンサを提供することができる。
【００２１】
この場合、負極電位と正極電位で定義される直流電圧を発生する直流電源の前記正極電位に、前記バイアスコイルの一端側を接続し、前記バイアスコイルの他端側を、一端が前記負極電位に接続され他端が還流ダイオードを通じて前記正極電位に接続されるスイッチング素子の前記他端に接続し、前記バイアスコイルに通電する前記直流成分電流の大きさを、前記スイッチング素子をスイッチングするパルス幅変調信号のデューティを変化させることで設定するようにする。
【００２２】
このようにすれば、磁歪膜にバイアス磁界を印加するバイアスコイルに通電する直流成分電流を、パルス幅変調信号により駆動されるスイッチング素子のオン時に直流電源から前記バイアスコイルに通電される誘導電流と、前記スイッチング素子のオフ時に前記還流ダイオードを通流する還流電流との平均電流で通電されるので、連続して平均電流を供給する直流電源に比較して直流電源の消費電力を低減することができる。
【００２３】
上記の磁歪式トルクセンサを用いた電動パワーステアリング装置もこの発明に含まれる。この発明によれば、バイアスコイルが検出コイルとは別コイルにされた磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置に用いたので、従来技術のような感度低下を招くことなく、自動車の走行中に、例えば車輪を縁石に衝突させたような場合に、通常の運転時の操舵トルクを大きく上回る過大な捩じりトルクが操舵軸に加わったときであっても、センサ出力にヒステリシスが発生することがなく、センサ出力が変化することがない。
【００２４】
そして、従来技術よりも検出感度を高くすることができるので、Ｓ／Ｎが高くなって操舵フィーリングが良くなる。また、Ｓ／Ｎが高いために、例えば４個の検出コイルをブリッジ接続し中点間に発生する電圧の和電圧を故障検出電圧としたときに閾値として設定する故障検出閾値の範囲を小さな値にすることができ、故障を高感度に検出することができる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によれば、検出コイルとは別の多重巻コイルであるバイアスコイルに直流成分電流を通電することによって、前記磁歪膜にバイアス磁界を印加するように構成し、過大な捩じりトルクが軸材（磁歪式トルクセンサの場合、電動パワーステアリング装置の場合には操舵軸）に加わったときであってもセンサ出力にヒステリシスを発生しないようにしている。
【００２６】
検出コイルをバイアスコイル兼用として使用する従来技術に係る磁歪式トルクセンサでは、ヒステリシスを発生させないために検出コイルの巻き数を大きく設定することにより十分なバイアス磁界を発生させようとすると、検出コイルの直流抵抗成分の増加を原因とする検出感度の低下を招いていたが、この発明では、検出感度の低下を招くことがなく、磁歪膜に十分なバイアス磁界を印加することができる。
【００２７】
また、従来技術では、検出コイルに通電する電流を大きく設定して十分なバイアス磁界を得ようとすると、検出コイルに電流を供給するＥＣＵ等の制御駆動装置の大型化や車両の充放電バランスを崩すことを招いていたが、この発明では、これらの不都合も招くことがなく、磁歪膜に十分なバイアス磁界を印加することができる。
【００２８】
このように、この発明では、検出感度の低下が最小限に抑制されるのでＳ／Ｎの低下を招くことなく、且つ十分なバイアス磁界が印加されるので過大トルクの印加時におけるセンサ出力のヒステリシスを低減できる。結果として、外乱による過大トルク入力が印加された場合であっても、センサ出力の変化がなく検出精度が高い磁歪式トルクセンサ及び前記磁歪式トルクセンサを用いる電動パワーステアリング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この実施形態に係る磁歪式トルクセンサと、この磁歪式トルクセンサを用いたこの実施形態に係る電動パワーステアリング装置の概略構成図である。
【図２】この実施形態に係る磁歪式トルクセンサとバイアス電流生成回路とトルク検出回路の回路接続説明図である。
【図３】この実施形態に係る磁歪式トルクセンサが設けられたコラム軸駆動ＥＰＳ部の詳細構成図である。
【図４】この実施形態に係る磁歪式トルクセンサの詳細構成図である。
【図５】図５Ａは、磁歪膜の異方性がなく、トルクがゼロ値の場合におけるセンサ軸の磁気モーメントの模式的説明図である。図５Ｂは、磁歪膜の異方性に所定値の異方性が付与され、トルクがゼロ値の場合におけるセンサ軸の磁気モーメントの模式的説明図である。
【図６】磁歪膜に対する異方性付与前後のトルクに対するインピーダンスの変化を示す特性図である。
【図７】図７Ａは、磁歪膜に所定値の異方性が付与され、トルクがゼロ値の場合におけるセンサ軸の磁気モーメントの模式的説明図である。図７Ｂは、磁歪膜に所定値の異方性が付与され、トルクが前記所定値の異方性に対応する分、異方性が無くなる方向に付与された場合におけるセンサ軸の磁気モーメントの模式的説明図である。図７Ｃは、磁歪膜に所定値の異方性が付与され、過大な捩りトルクが前記異方性が無くなる方向に付与された場合におけるセンサ軸の磁気モーメントの模式的説明図である。図７Ｄは、磁歪膜に所定値の異方性が付与され、前記異方性が無くなる方向に過大な捩りトルクが付与された後に解放され、トルクがゼロ値の場合におけるセンサ軸の磁気モーメントにヒステリシスが発生している状態の模式的説明図である。
【図８】磁歪膜に対する異方性付与後の過大な捩りトルクに対するインピーダンス変化にヒステリシスが発生する場合を示す特性図である。
【図９】図９Ａは、磁歪膜に所定値の異方性が付与され、トルクがゼロ値の場合におけるセンサ軸の磁気モーメントの模式的説明図である。図９Ｂは、磁歪膜に所定値の異方性が付与され、過大な捩りトルクが異方性と同方向に付与された場合におけるセンサ軸の磁気モーメントの模式的説明図である。図９Ｃは、磁歪膜に所定値の異方性が付与され、過大な捩りトルクが異方性と同方向に付与された後に解放され、トルクがゼロ値の場合におけるセンサ軸の磁気モーメントにヒステリシスが発生していない状態の模式的説明図である。
【図１０】磁歪膜に対する異方性付与後のトルクに対するインピーダンス変化にヒステリシスが発生しない場合を示す特性図である。
【図１１】図１１Ａは、磁歪膜に所定値の異方性とバイアス磁界が付与され、トルクがゼロ値の場合におけるセンサ軸の磁気モーメントの模式的説明図である。図１１Ｂは、磁歪膜に所定値の異方性とバイアス磁界が付与され、トルクが前記所定値の異方性に対応する分、異方性が無くなる方向に付与された場合におけるセンサ軸の磁気モーメントの模式的説明図である。図１１Ｃは、磁歪膜に所定値の異方性とバイアス磁界が付与され、過大な捩りトルクが前記異方性が無くなる方向に付与された場合におけるセンサ軸の磁気モーメントの模式的説明図である。図１１Ｄは、磁歪膜に所定値の異方性が付与され、前記異方性が無くなる方向に過大な捩りトルクが付与された後に解放され、トルクがゼロ値の場合におけるセンサ軸の磁気モーメントにヒステリシスが発生していない状態の模式的説明図である。
【図１２】磁歪膜に対する異方性付与後の過大な捩りトルクに対するインピーダンス変化にヒステリシスが発生しない場合を示す特性図である。
【図１３】Ｂ−Ｈカーブ上のバイアス磁界の説明図である。
【図１４】バイアスコイルに通電されるスイッチング信号とバイアス電流の波形説明図である。
【図１５】操舵トルクに対する操舵トルク信号（出力電圧）の関係を示す特性図である。
【図１６】バイアス磁界の大きさとヒステリシス電圧の関係を示す特性図である。
【図１７】検出コイルの巻き数の増加に対する操舵トルク信号の感度の低下を示す特性図である。
【図１８】検出コイルのインダクタンスの増減と抵抗値を示す等価回路図である。
【図１９】他の実施形態に係る磁歪式トルクセンサとバイアス電流生成回路とトルク検出回路の回路接続説明図である。
【図２０】他の実施形態に係る磁歪式トルクセンサの詳細構成図である。
【図２１】変形例に係る磁歪式トルクセンサの詳細構成図である。
【図２２】他の変形例に係る磁歪式トルクセンサの詳細構成図である。
【図２３】さらに他の変形例に係る磁歪式トルクセンサの詳細構成図である。
【図２４】従来技術に係る磁歪式トルクセンサとトルク検出回路の回路接続説明図である。
【図２５】従来技術に係る磁歪式トルクセンサを用いた比較例の電動パワーステアリング装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、この発明に係る磁歪式トルクセンサについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
図１は、この実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０を用いたこの実施形態に係る電動パワーステアリング装置１２の構成図である。電動パワーステアリング装置１２は、コラム軸駆動ＥＰＳ部３０を備える。
【００３２】
図２５は、比較説明のために用いる図面であり、図２４に示した特許文献１に係る磁歪式トルクセンサ３１０を用いた比較例に係る電動パワーステアリング装置３１２の構成図である。なお、特許文献１では、ピニオン軸駆動ＥＰＳを例として説明しているが、この実施形態では、コラム軸駆動ＥＰＳを例として説明しているので、図２５では、特許文献１のピニオン軸駆動ＥＰＳをコラム軸駆動ＥＰＳに置き換えている。この発明は、コラム軸駆動ＥＰＳ及びピニオン軸駆動ＥＰＳのどちらでも適用することができる。
【００３３】
図２５に示す比較例に係る電動パワーステアリング装置３１２において、図２４に示した特許文献１に係る磁歪式トルクセンサ３１０に示したものと同一のもの又は対応するものには同一の符号を付けてその詳細な説明を省略する。また、図２５に示す比較例に係る電動パワーステアリング装置３１２において、この発明の実施形態に係る電動パワーステアリング装置１２に示したものと同一のもの又は対応するものには同一の符号を付けてその詳細な説明を省略する。
【００３４】
図１、図２５において、電動パワーステアリング装置１２、３１２は、一端に操向ハンドル１５が固着されたコラム軸１６の他端にセンサ軸１７、３１７が固着されている。センサ軸１７、３１７上に磁歪式トルクセンサ１０、３１０が設けられ、この磁歪式トルクセンサ１０、３１０によって操向ハンドル１５を通じてコラム軸１６に作用された操舵トルクを検出し、検出した操舵トルクを、トルク検出回路を含むインタフェース回路２０、３３０にて操舵トルク信号ＶＴ３に変換する。
【００３５】
この操舵トルク信号ＶＴ３、車速センサ２３が発生する車速信号Ｖｓ及びモータ２４のモータ回転信号Ｎｍ等に基づいて、制御装置（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２２、３２２にてモータ２４に動力を発生させるための目標電流Ｉｔａｒを演算する。
【００３６】
制御装置２２、３２２は、この目標電流Ｉｔａｒをモータ２４に通電するための駆動電圧｛ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号｝を発生すると共に、実際にモータ２４に通電された実モータ電流を電流センサ（不図示）にて検出し、目標電流Ｉｔａｒと実モータ電流が一致するようにＰＩ（比例積分）制御を行ってモータ２４に動力を発生させている。このモータ２４に発生した動力を、モータ２４の主軸に固着されたウォームギア２６及びセンサ軸１７、３１７に固着されたウォームホイールギア２８からなる減速機構を介して、操舵軸１１を形成するコラム軸１６に伝達させて運転者の操向ハンドル１５に対する操舵負荷を軽減している。なお、この実施形態において、モータ２４は、ブラシレスモータを使用している。
【００３７】
図１及び図２５において、電動パワーステアリング装置１２、３１２は、操向ハンドル１５に連結されたセンサ軸１７、３１７一体型のコラム軸１６を備えている。コラム軸１６は、自在継手６２、中間軸６４及び自在継手６６を介して、ラック＆ピニオン機構６８が設けられたピニオン軸７０に連結されている。
【００３８】
ピニオン軸７０は、上端にオイルシール７２が設けられたギアハウジング７４に収容された軸受７６、７８によって、その中間部、下部を支持されている。ピニオンギア８０はピニオン軸７０の下端部に設けられている。ピニオンギア８０は、車幅方向に往復動し得るラック軸８２のラックギア８４に噛合し、ラック軸８２の両端には、タイロッド８６を介して転舵輪としての左右の前輪８８が連結されている。
【００３９】
この構成により、操向ハンドル１５の操舵時に操舵軸１１（コラム軸１６、中間軸６４、及びピニオン軸７０からなる。）を通じて通常のラック＆ピニオン式の転舵操作が可能であり、前輪８８を転舵させて車両の向きを変えることができる。ここで、ラック軸８２、ラックギア８４、及びタイロッド８６は転舵機構９０を構成する。転舵機構９０と、操舵軸１１と、操向ハンドル１５とにより操舵系が構成される。
【００４０】
コラム軸１６はその下部、中間部、上部を軸受１０２、１０４、１０６によって支持されている。軸受１０２、１０４、１０６は、コラム軸ハウジング１０８に収容されている。
【００４１】
上述したように、電動パワーステアリング装置１２、３１２は、操向ハンドル１５による操舵力を軽減するための補助操舵力をコラム軸１６に付与するモータ２４を備えており、このモータ２４の主軸に設けられたウォームギア２６が、コラム軸１６（センサ軸１７一体型コラム軸）の軸受１０２と軸受１０４との間に設けられたウォームホイールギア２８に噛合している。ウォームギア２６とウォームホイールギア２８により減速機構が構成される。減速機構は、モータ２４の回転・駆動力をコラム軸１６の回転・駆動力に滑らかに且つ倍力変換する。
【００４２】
この場合において、コラム軸１６の中間部の軸受１０４と上部の軸受１０６との間には、磁歪に起因する磁気特性の変化に基づいてコラム軸１６（操舵軸１１）のトルクである操舵トルクを検出する磁歪式トルクセンサ１０、３１０が配置されている。
【００４３】
図２に、この実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０のバイアスコイル４０と検出コイル４１（理解の便宜のために、検出コイルＡともいう。）、４２（検出コイルＢともいう。）、４３（検出コイルＣともいう。）、４４（検出コイルＤともいう。）とインタフェース回路２０との接続関係を示す。インタフェース回路２０は、トルク検出回路２０Ａとバイアス電流生成回路（直流成分電流供給回路）２０Ｂとを含む。図２に示すように、バッテリ（不図示）からの電圧Ｖｂａｔ（１２［Ｖ］）が、レギュレータ３６を介して定電圧の５［Ｖ］の直流電圧源（直流電源）Ｖｃｃ（直流電圧もＶｃｃという。）に降圧されている。
【００４４】
図１及び図２に示すように、この実施形態に係る電動パワーステアリング装置１２は、センサ軸１７に、Ｎｉ６５［％］−Ｆｅ３５［％］の磁歪めっきを施し異方性ｍａ１、ｍａ２を設けた磁歪膜ｍｆが設けられている。この磁歪膜ｍｆを取り囲むようにバイアスコイル４０が設けられており、このバイアスコイル４０に対してバイアス電流生成回路２０Ｂからバイアス電流Ｉｂｉａｓ（直流成分電流）が通電され、磁歪膜ｍｆに直流成分のバイアス磁界Ｈｂｉａｓが印加される。
【００４５】
磁歪膜ｍｆの一方の異方性ｍａ１を施した部分に対して検出コイル４１（Ａ）及び検出コイル４２（Ｂ）が巻回され、他方の異方性ｍａ２を施した部分に対して検出コイル４３（Ｃ）及び検出コイル４４（Ｄ）が巻回されている。
【００４６】
検出コイルＡと検出コイルＣが直列に接続され、検出コイルＡはダンピング抵抗器Ｒａ（抵抗値もＲａとする。）を介して直流電圧源Ｖｃｃ（電圧もＶｃｃとする。）に接続され、検出コイルＣはスイッチング素子３４に接続され、スイッチング素子３４を矩形波信号ＰＶＦにて駆動することにより検出コイルＡ、Ｃに交流電流である検出電流Ｉｄ［Ａ］を通電している。
【００４７】
操向ハンドル１５からコラム軸１６を通じてセンサ軸１７に操舵トルクを付加することによって磁歪膜ｍｆの異方性ｍａ１、ｍａ２の部分の透磁率が変化すると検出コイルＡ、Ｃのインダクタンスが変化するため、例えば検出コイルＡのインダクタンスが増大し検出コイルＣのインダクタンスが減少する。このとき両検出コイルＡ、Ｃには同じ交流電流である検出電流Ｉｄが流れるので、検出コイルＡ、Ｃの中点５１には検出コイルＡのインダクタンスと電流変化の積による電圧と、検出コイルＣのインダクタンスと電流変化の積による電圧の分圧電圧（中点電圧ともいう。）Ｖ１が現れる。
【００４８】
この検出コイルＡ、Ｃの中点電圧Ｖ１をボトムホールド回路３１でホールドし増幅して出力電圧ＶＴ１を得ている。
【００４９】
同様に、検出コイルＤと検出コイルＢを直列に接続し、検出コイルＤはダンピング抵抗器Ｒａを介して直流電圧源Ｖｃｃに接続し、検出コイルＢは、スイッチング素子３４のコレクタ端子に接続する。エミッタ端子が接地されたスイッチング素子３４のベース端子を矩形波信号ＰＶＦにて駆動することにより検出コイルＢ、Ｄに交流電流としての検出電流Ｉｄを通電する。操向ハンドル１５からコラム軸１６を通じてセンサ軸１７に操舵トルクを付加することによって磁歪膜ｍｆの異方性ｍａ１、ｍａ２の部分の透磁率が変化すると検出コイルＢ、Ｄのインダクタンスが変化するため、例えば検出コイルＢのインダクタンスが増大し検出コイルＤのインダクタンスが減少する。このとき両検出コイルＢ、Ｄには同じ交流電流が流れるので、検出コイルＢ、Ｄの中点５２には検出コイルＤのインダクタンスと電流変化の積による電圧と、検出コイルＢのインダクタンスと電流変化の積による電圧の分圧電圧（中点電圧）Ｖ２が現れる。この検出コイルＢ、Ｄの中点電圧Ｖ２をボトムホールド回路３２でホールドし、増幅して出力電圧ＶＴ２を得ている。
【００５０】
さらに、出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２とにより差動増幅器３３の差動出力である出力電圧を操舵トルク信号ＶＴ３として得、この操舵トルク信号ＶＴ３に基づいて制御装置２２は、前記のように目標電流Ｉｔａｒを演算している。また、制御装置２２は、出力電圧ＶＴ１及び出力電圧ＶＴ２を用いて故障検出を行っている。具体的には出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２との和電圧が所定の閾値範囲より外れた場合には故障と検出している。
【００５１】
図３は、図１中、コラム軸駆動ＥＰＳ部３０の詳細構成図、図４は、図１及び図３中、磁歪式トルクセンサ１０の詳細構成図を示している。
【００５２】
磁歪式トルクセンサ１０は、Ｓ４５ＣやＳＣＭ４２０等の鋼材に熱処理を施した軸材であるセンサ軸１７に、Ｎｉ６５［％］−Ｆｅ３５［％］のめっきを約３０〜４０［μｍ］の厚さで施し磁歪膜ｍｆを設けた後に、センサ軸１７に軸周りの回転トルクを印加した状態で高周波加熱にて磁歪膜ｍｆを加熱、冷却の後に前記回転トルクを開放して異方性（磁気異方性）ｍａ１、ｍａ２を付与している。この異方性ｍａ１、ｍａ２は、磁歪膜ｍｆの上下に方向が異なるように施している。
【００５３】
センサ軸１７にウォームホイールギア２８が圧入固定されている。磁歪膜ｍｆとウォームホイールギア２８を組みつけたセンサ軸１７にコラム軸１６を圧入固定する。一方、コラム軸ハウジング１０８に軸受１０２を軽圧入した後に固定ねじ１１０でねじ止め固定する。センサ軸１７の端部を軸受１０２の内輪に通して止め輪１１２で固定する。これによりコラム軸１６とセンサ軸１７のアセンブリがコラム軸ハウジング１０８に回転自在に固定される。
【００５４】
また、ハウジング１２４にコラムパイプ１１４を圧入固定する。そしてコラムパイプ１１４の開口部に軸受１０６を軽圧入の後に止め輪１１６で固定する。
【００５５】
次にバイアスコイル４０、検出コイル４１〜４４（Ａ〜Ｄ）、及びインタフェース回路２０を一体的に樹脂モールドしてコネクタ１２０を成型したコイルアセンブリ５０を、ハウジング１２４の側面に空いた開口部より挿入し、固定ねじ（不図示）にてねじ止め固定する。次に、コラム軸１６とセンサ軸１７のアセンブリを回転自在に固定したコラム軸ハウジング１０８を、軸受１０４を軽圧入した後に止め輪１０５にて固定しコイルアセンブリ５０が組み付けられたハウジング１２４にボルト１２６にて固定する。
【００５６】
さらに、ウォームギア２６を、軸受（不図示）を介して回転自在にウォームホイールギア２８と滑らかにかみ合うように固定ねじ（不図示）にて固定する。そしてモータ２４の主軸に設けられたセレーションを介してウォームギア２６にトルクを伝達するように、ハウジング１２４にモータ２４をねじ止め固定する。
【００５７】
なお、コラム軸駆動ＥＰＳ部３０の軸受１０６側のコラム軸１６の一端は操向ハンドル１５に固着され、軸受１０２側のセレーション部は、自在継手６２に嵌合される。
【００５８】
このようにしてこの実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０を装備したコラム軸駆動ＥＰＳ部３０は図１に示すように車体に組みつけられ全体として電動パワーステアリング装置１２を構成する。
【００５９】
この実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０では、検出コイル４１〜４４とは異なるバイアスコイル４０に直流成分電流であるバイアス電流Ｉｂｉａｓを通電することによって、磁歪膜ｍｆにバイアス磁界Ｈｂｉａｓを印加するようにしたので、後に詳しく説明するように、磁歪式トルクセンサ１０の検出感度を低下することなく磁歪膜ｍｆに十分なバイアス磁界Ｈｂｉａｓを印加することができる。これによって、Ｓ／Ｎを低下させることなく過大トルクＴｅｘ印加時の操舵トルク信号ＶＴ３に発生するヒステリシス電圧Ｖｈｓを低減することが可能となり、外乱による過大トルクＴｅｘが加わった場合であっても出力変化がなく検出精度の高い磁歪式トルクセンサ１０を製作できる。
【００６０】
これにより自動車が走行中に車輪を縁石に衝突させた様な場合に、通常の運転時の操舵トルクを大きく上回る過大な捩じりトルク（過大トルク）Ｔｅｘが操舵軸１１に加わった場合であっても、センサ出力である出力電圧Ｖ１、Ｖ２にヒステリシス電圧Ｖｈｓが発生することがなく出力変化がない、しかもノイズが少ないためＳ／Ｎが高くなり操舵フィーリングが良くなり、さらにＳ／Ｎが高いために故障検出閾値を小さな値に設定することができ、故障を高感度に検出することができる。
【００６１】
また操向ハンドル１５の近くに磁歪式トルクセンサ１０を設けるコラム軸駆動ＥＰＳでは、ホーン発音時に流れる電流がコラム軸１６を介して直接的にセンサ軸１７を貫通するが、この実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０では、十分なバイアス磁界Ｈｂｉａｓが加わっているため、この影響を無くすことができている。
【００６２】
［ヒステリシス低減の説明］
次に、過大トルクＴｅｘが印加された時にヒステリシス電圧Ｖｈｓが増大し、バイアス磁界Ｈｂｉａｓによってこれが低減されるメカニズムを説明する。
【００６３】
図５Ａに、センサ軸１７一体型コラム軸１６に駆けられた操舵トルクＴｓがＴｓ＝０であるときの、磁歪膜ｍｆに異方性ｍａを付与する前の磁気モーメント（両側矢印付き線分）の状態ＳＴ０を模式的に示し、図５Ｂに、操舵トルクＴｓがＴｓ＝０であるときの、磁歪膜ｍｆに異方性ｍａを付与した後の磁気モーメントの状態ＳＴ１を示している。図６に、磁歪膜ｍｆに異方性ｍａを付与する前の操舵トルクＴｓに対する磁歪膜ｍｆのインピーダンス［Ω］の特性３０１、異方性を付与した後の操舵トルクＴｓに対する磁歪膜ｍｆのインピーダンス［Ω］の特性３０２を示している。
【００６４】
実際には、磁歪膜ｍｆには、図５Ｂとは軸方向の別の場所にもうひとつ別の異方性ｍａが付与されているが、煩雑さを回避するために、ここでの説明では省略し、片方の異方性ｍａを与えた特性３０２を用いて説明する。
【００６５】
図６に示すように、異方性ｍａが付与されていない時には操舵トルクＴｓに対するインピーダンス［Ω］の特性３０１は右方向にトルクＴｓ［Ｎｍ］を印加しても、左方向にトルクＴｓを印加してもトルクゼロ（Ｔｓ＝０）の時に対して減少する特性３０１を示す。トルクゼロ（Ｔｓ＝０）の時の磁気モーメントの状態は図５Ａに示すように揃っておらず、磁気モーメントの向きが変化し易い状態になっている。この状態から操舵トルクＴｓによって磁気モーメントが傾くことによってインピーダンスが変化する。
【００６６】
一方、図５Ｂ、図６に示すように、捩りトルクに換算して所定値のトルク（捩りトルク）Ｔａ（Ｔａ＝６０［Ｎｍ］）の異方性（異方性トルクともいう。）Ｔａを付与すると、インピーダンスは、特性３０２に示すように、トルクＴｓの向き｛右向き（右方向）、左向き（左方向）｝によって増減するようになる。例えば図６では右方向にトルクＴｓを印加するとインピーダンスが増加し、左方向にトルクＴｓを印加するとインピーダンスが減少する。捩りトルクＴａを印加した状態で高周波加熱を行い冷却後捩りトルクＴａを解放することによって磁歪膜ｍｆをクリープさせ、異方性トルクＴａを付与することができる。これにより図５Ｂに示すように磁気モーメントに異方性（上述した異方性ｍａ）を与えることができる。この状態から左右にトルクＴｓを印加すると磁気モーメントの傾きが増減するのでインピーダンスが増減する。通常の使用範囲である入力トルク±１０［Ｎｍ］の通常使用範囲では、インピーダンスの特性３０２にヒステリシスＨｓ（ヒステリシスインピーダンスＺｈｓ）はほとんど見られない。
【００６７】
次に自動車が走行中に車輪を縁石に衝突させた様な、通常の運転時の操舵トルクＴｓ＝±１０［Ｎｍ］を大きく上回る過大な捩じりトルクＴｅｘ（２５０［Ｎｍ］程度）が操舵軸１１（センサ軸１７一体型コラム軸１６）に加わった場合について考察する。
【００６８】
異方性トルクＴａ（Ｔａ＝６０［Ｎｍ］）が付与された図７Ａの操舵トルクＴｓ＝０の状態ＳＴ１から、付与されている異方性トルクＴａと同一の操舵トルクＴｓ（Ｔｓ＝Ｔａ）を与えた図７Ｂの状態ＳＴ２、さらに、付与されている異方性トルクＴａよりも大きい過大な操舵トルクＴｓ＝Ｔｅｘ＝２５０［Ｎｍ］が、図７Ａに示す異方性を減少させる方向に入力された場合である磁気モーメントは、図７Ｃに示す状態ＳＴ３になる。
【００６９】
次いで、図７Ｃに示す状態ＳＴ３から過大な操舵トルクＴｓ＝Ｔｅｘ＝２５０［Ｎｍ］の印加がなくなると、付与された異方性ｍａがクリープによって無くなることはないが、磁気モーメントの方向が左上がり右下がり方向（図７Ａ）から左下がり右上がり方向（図７Ｃ）に一度変わったため、磁気モーメントの状態にヒステリシスＨｓが発生し、結果として、図７Ｄの状態ＳＴ４及び図８の一点鎖線のインピーダンスの特性３０４に示すように、元の特性３０２に対しヒステリシスインピーダンスＺｈｓを生じる。
【００７０】
一方、通常の運転時の操舵トルクＴｓを大きく上回る過大な捩じりトルクＴｅｘ（２５０［Ｎｍ］）が図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示すように、状態ＳＴ１→状態ＳＴ５→状態ＳＴ６のように操舵軸１１に加わった場合であっても、図１０に示すように、与えた異方性ｍａと同じ方向に過大なトルクＴｓ＝−２５０［Ｎｍ］が加わった場合には、ヒステリシスインピーダンスＺｈｓが発生することはない。これは図７Ａ〜図７Ｄを参照して説明したときのようには、磁気モーメントの方向が変化しないからである。
【００７１】
そこで、磁歪膜ｍｆを通過する磁束Φが磁歪膜ｍｆの飽和磁束密度Ｂｓ以上になるような直流のバイアス磁界Ｈｂｉａｓを、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ、図１１Ｄの白抜き矢印で示すように、センサ軸１７の軸方向に加えると、磁気モーメントのヒステリシス分がバイアス磁界Ｈｂｉａｓによってヒステリシスの一方側に固定され動かなくなる。これによって±２５０［Ｎｍ］の過大トルクＴｅｘが印加された後であっても、図１２に示すように、通常使用範囲におけるトルクとインピーダンスの特性３０２にヒステリシス（図１１Ｄ：Ｈｓ＝０）が見られなくなる。
【００７２】
図１１Ａは、磁歪膜ｍｆに所定値の異方性（異方性トルク）Ｔａとバイアス磁界Ｈｂｉａｓが付与され、トルクＴｓがゼロ値の状態ＳＴ１１におけるセンサ軸１７の磁気モーメントの模式的説明図である。図１１Ｂは、磁歪膜ｍｆに所定値の異方性（異方性トルク）Ｔａとバイアス磁界Ｈｂｉａｓが付与され、トルクＴｓが前記所定値の異方性に対応する分、異方性が無くなる方向に付与された状態ＳＴ１２におけるセンサ軸１７の磁気モーメントの模式的説明図である。図１１Ｃは、磁歪膜ｍｆに所定値の異方性（異方性トルク）Ｔａとバイアス磁界Ｈｂｉａｓが付与され、過大な捩りトルクＴｅｘが前記異方性が無くなる方向に付与された状態ＳＴ１３場合におけるセンサ軸１７の磁気モーメントの模式的説明図である（図１２中、特性３０２Ａ参照）。図１１Ｄは、磁歪膜ｍｆに所定値の異方性（異方性トルク）Ｔａが付与され、前記異方性が無くなる方向に過大な捩りトルクＴｅｘが付与された後に解放され、トルクＴｓがゼロ値の場合におけるセンサ軸１７の磁気モーメントにヒステリシスＨｓが発生していない状態を示す模式的説明図である（図１２中、特性３０２Ｂ参照）。
【００７３】
この場合、図１３のＢ−Ｈカーブに示すように、磁歪膜ｍｆの磁束密度を飽和させるのに十分な磁歪膜ｍｆの飽和磁束密度Ｂｓ以上のバイアス磁界Ｈｂｉａｓを磁歪膜ｍｆにかければ良い。なお、図１３では、残留磁束密度Ｂｒ及び保持力Ｈｃも記入している。
【００７４】
次に、バイアスコイル４０と検出コイルＡ〜Ｄの作用、及びバイアス磁界Ｈｂｉａｓと±２５０［Ｎｍ］の過大な捩りトルクＴｅｘ印加後のトルク信号ＶＴ３の入力トルクゼロ時のヒステリシス（ヒステリシス電圧）について説明する。
【００７５】
図２に示すように、センサ軸１７に設けられた磁歪膜ｍｆの全長に渡ってバイアスコイル４０が巻回されている。実際には、樹脂のボビンに巻回されたものが配置されている。このバイアスコイル４０には、インタフェース回路２０内に設けられたバイアス電流生成回路２０Ｂより直流成分電流であるバイアス電流Ｉｂｉａｓが通電されてバイアス磁界Ｈｂｉａｓを発生している。
【００７６】
このバイアス電流Ｉｂｉａｓを通電させるに当たっては、バイアスコイル４０のインダクタンス成分を用いてバイアスコイル４０に還流電流Ｉｆｌｙ（直流成分）を流すように、スイッチング素子４６と還流ダイオード４８を用いた図示のバイアス電流生成回路２０Ｂの回路接続にしても良いし、直流電圧源Ｖｃｃから制限抵抗（不図示）を介してバイアスコイル４０にバイアス電流Ｉｂｉａｓを通電させても良い。
【００７７】
図１４に示すように、スイッチング素子４６のベース端子に０−５［Ｖ］のスイッチング信号Ｓｄを供給して、誘導電流Ｉｉｎｄと還流電流Ｉｆｌｙの平均電流のバイアス電流Ｉｂｉａｓをバイアスコイル４０に通電することにより、直流電圧源Ｖｃｃの消費電力を低減することができる。
【００７８】
詳細には、図２に示すように、バイアスコイル４０の一端が、バッテリ電圧Ｖｂａｔよりレギュレータ３６を介して定電圧化された直流電圧源Ｖｃｃに接続され、他端がバイアス電流通電用のスイッチング素子４６のコレクタ端子に接続される。このスイッチング素子４６のエミッタ端子は接地させている。さらにコレクタ端子は制限抵抗器Ｒｃ（抵抗値もＲｃとする。）及び還流ダイオード４８を介して直流電圧源Ｖｃｃに接続されている。
【００７９】
そして、バイアス電流通電用のスイッチング素子４６のベース端子を可聴周波数外（例えば２０［ｋＨｚ］）のＰＷＭ信号であるスイッチング信号（駆動信号）Ｓｄで駆動する。このスイッチング信号ＳｄのＰＷＭのデューティを変更することによってバイアス電流Ｉｂｉａｓの大きさ、すなわち直流電流値（平均電流値）を設定することができる。
【００８０】
つまり、スイッチング信号ＳｄがＯＮのハイレベルの時はスイッチング素子４６がＯＮに駆動され、直流電圧源Ｖｃｃよりバイアスコイル４０、スイッチング素子４６を通じてグランドＧＮＤに誘導電流Ｉｉｎｄが流れる。一方、スイッチング信号ＳｄがＯＦＦのローレベルの時は、バイアスコイル４０のインダクタンスに蓄積されたエネルギによりバイアスコイル４０から、制限抵抗器Ｒｃ、還流ダイオード４８、及びバイアスコイル４０の閉回路で還流電流Ｉｆｌｙが流れる。バイアス電流Ｉｂｉａｓの大きさは、誘導電流Ｉｉｎｄと還流電流Ｉｆｌｙをデューティに応じて平均した直流成分電流に等しい。
【００８１】
内周に巻回されたバイアスコイル４０の外周に検出コイルＡ〜Ｄが巻回されている。実際に樹脂のボビンに巻回されたコイルアセンブリ５０（図４参照）として配置されている。
【００８２】
図２に示すように、検出コイルＡ〜Ｄの各両端は、インタフェース回路２０内の操舵トルク信号生成部であるトルク検出回路２０Ａに接続されている。具体的に、検出コイルＡの一端は抵抗器Ｒａ（抵抗値もＲａとする。）を通じて直流電圧源Ｖｃｃに接続され検出コイルＡの他端は検出コイルＣの一端に接続され検出コイルＣの他端はスイッチング素子３４のコレクタ端子に接続されると共に、抵抗器Ｒｂ（抵抗値もＲｂとする。）及び還流ダイオード５４を通じて直流電圧源Ｖｃｃに接続されている。検出コイルＤの一端は抵抗器Ｒａ（抵抗値もＲａとする。）を通じて直流電圧源Ｖｃｃに接続され検出コイルＤの他端は検出コイルＢの一端に接続され検出コイルＢの他端はスイッチング素子３４のコレクタ端子に接続されると共に、抵抗器Ｒｂ（抵抗値もＲｂとする。）及び還流ダイオード５４を通じて直流電圧源Ｖｃｃに接続されている。
【００８３】
矩形波信号ＰＶＦにてスイッチング素子３４を駆動した際の、検出コイルＡと検出コイルＣの中点５１に現れる中点電圧Ｖ１と検出コイルＢと検出コイルＤの中点５２に現れる中点電圧Ｖ２を、ボトムホールド回路３１、３２を介して信号処理する。
【００８４】
これにより、図１５に示す出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２を検出している。そして差動増幅器３３による出力電圧（差動出力）ＶＴ１−ＶＴ２に基づいて操舵トルク信号ＶＴ３を得ている。操舵トルク信号ＶＴ３は制御装置２２に出力され、制御装置２２は、操舵トルク信号ＶＴ３に基づいてモータ２４に通電するための目標電流Ｉｔａｒを演算する。
【００８５】
次にバイアス磁界Ｈｂｉａｓの大きさと、±２５０［Ｎｍ］の過大な捩りトルクＴｅｘ印加後の操舵トルク信号ＶＴ３の入力トルクゼロ時のヒステリシス電圧Ｖｈｓの関係の実験結果を図１６に示す。バイアス磁界Ｈｂｉａｓ［ｍＡＴ］を増大させると操舵トルク信号ＶＴ３のヒステリシス電圧Ｖｈｓ［Ｖ］が減少し、Ｈｂａｉｓ＝４０００［ｍＡＴ］で略ゼロ値になることが分かる。この実施形態では、目標のヒステリシス電圧Ｖｈｓｔａｒ（通常使用範囲の１０Ｎｍをフルスケールとしたときの５［％ＦＳ］で１３５［ｍＶ］）を達成するバイアス磁界Ｈｂｉａｓに対して若干の余裕をもって検出コイルＡ〜Ｄの一個所あたり４０００［ｍＡＴ］の磁界の強さを印加している。
【００８６】
図２に示したように、バイアスコイル４０と検出コイルＡ〜Ｄとを分離したことによって、検出感度を低下させることなく過大な捩りトルクＴｅｘ印加後のヒステリシスＨｓを低減している。
【００８７】
［従来技術での感度低下の説明］
次に、バイアス磁界Ｈｂｉａｓを、図２４の従来技術に係る磁歪式トルクセンサ３２０に示すように、検出コイル３４１〜３４４を用いて発生させた場合の感度低下について説明する。
【００８８】
図２４に示すように、検出コイル３４１〜３４４に直流電圧源Ｖｃｃを印加し、スイッチング素子３３４を矩形波信号ＰＶＦにて駆動した際の、検出コイル３４１、３４３の中点電圧Ｖ１と検出コイル３４２、３４４の中点電圧Ｖ２を、ボトムホールド回路３３１、３３２を介して信号処理し、出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２を検出し、操舵トルク信号ＶＴ３を得る。
【００８９】
このとき検出コイル３４１〜３４４に流れるバイアス電流Ｉｂｉａｓｐと検出コイル３４１〜３４４によって発生する磁界で所望のバイアス磁界Ｈｂｉａｓを発生させるために、検出コイル３４１〜３４４の巻き数を多く設定している。
【００９０】
図１７に示すように、操舵トルク信号ＶＴ３の感度［Ｖ／７０ｋｇｆｃｍ］は、各検出コイル３４１〜３４４の巻き数［Ｔ］が増大すると低下する。
【００９１】
この理由を、図１８を用いて説明する。Ｌは各検出コイル３４１〜３４４の巻線のインダクタンス、Ｒは各検出コイル３４１〜３４４の巻線の抵抗値（浮遊抵抗値）、ΔＬは、操舵トルクによって変化するインダクタンス成分、ｉは、各検出コイル３４１〜３４４の電流、Ｖｃｃは電源電圧、Ｖｏは、直列接続された検出コイル３４１、３４３の中点電圧である。
【００９２】
実際には、トルクによって変化する中点電圧Ｖｏ（中点電圧Ｖ１及び中点電圧Ｖ２を代表して中点電圧Ｖｏという。）をボトムホールドすることによってトルクを検出している。従って、中点電圧Ｖｏの変化分の大きさが感度に等しい。
【００９３】
中点電圧Ｖｏは、図１８の等価回路図を参照すれば、次の（１）式により算出できることが分かる。
但し、Ｒｄ、Ｒｅ＜＜Ｒになっている。
Ｖｏ＝Ｖｃｃ×Ｖｑ／（Ｖｐ＋Ｖｑ）
＝Ｖｃｃ｛（Ｌ＋ΔＬ）（ｄｉ／ｄｔ）＋Ｒ・ｉ｝÷
［｛（Ｌ＋ΔＬ）（ｄｉ／ｄｔ）＋Ｒ・ｉ｝
＋｛（Ｌ−ΔＬ）（ｄｉ／ｄｔ）＋Ｒ・ｉ｝］
＝（Ｖｃｃ／２）×｛（Ｌ＋ΔＬ）（ｄｉ／ｄｔ）＋Ｒ・ｉ｝÷
｛Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）＋Ｒ・ｉ｝
＝（Ｖｃｃ／２）×
［１＋｛ΔＬ（ｄｉ／ｄｔ）｝／｛Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）＋Ｒ・ｉ｝］
＝（Ｖｃｃ／２）×［１＋｛Δμ（ζ・π・ａ2・ｎ2／ｌ）（ｄｉ／ｄｔ）｝÷｛μ（ζ・π・ａ2・ｎ2／ｌ）（ｄｉ／ｄｔ）＋Ｒ・ｉ｝］      …（１）
【００９４】
（１）式を見ると、中点電圧Ｖｏの変化分は、大かっこの内の「値１」に加算される成分にあたることが分かる。
【００９５】
つまり、変化分＝｛Δμ（ζ・π・ａ2・ｎ2／ｌ）（ｄｉ／ｄｔ）｝÷｛μ（ζ・π・ａ2・ｎ2／ｌ）（ｄｉ／ｄｔ）＋Ｒ・ｉ｝である。
【００９６】
ここで、μは磁歪膜ｍｆの透磁率、Δμは操舵トルクによって変化する磁歪膜ｍｆの透磁率、ζは長岡係数、ａは各検出コイル３４１〜３４４の半径、ｎは巻き数［Ｔ］、ｌは各検出コイル３４１〜３４４の長さで一定であるため、各検出コイル３４１〜３４４の抵抗値Ｒがゼロ値であれば、変化分は、検出コイル３４１〜３４４の巻き数ｎ、長さl、半径ａによらず「変化分＝Δμ／μ」となり磁歪膜ｍｆの透磁率の変化そのものになる。
【００９７】
ところが、（１）式の第２項の分母にある抵抗値Ｒが大きいと、すなわち巻き数ｎが多くなると、抵抗値Ｒの影響で前記変化分が小さくなることが分かる。
【００９８】
以上の説明が、従来技術での感度低下の説明である。
【００９９】
［他の実施形態］
図１９及び図２０に他の実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０Ａを示す。
【０１００】
図１９は、バイアスコイル４０と検出コイルＡ、Ｂの原理図を示す。センサ軸１７に設けられた磁歪膜ｍｆの全長に渡ってバイアスコイル４０が巻回されている。実際には樹脂のボビンに巻回されたコイルアセンブリ５０Ａ（図２０参照）として配置されている。このバイアスコイル４０にはインタフェース回路２０ａ中のバイアス電流生成回路２０Ｃに設けられたバイアス経路より直流成分電流Ｉｂｉａｓが通電されてバイアス磁界Ｈｂｉａｓを発生している。この直流成分電流Ｉｂｉａｓを発生させるに当たっては、図１９の様に検出コイルＡ、Ｂのインダクタンス成分を用いて検出コイルＡ、Ｂに還流電流Ｉｆｌｙ（直流成分電流）を流すように、スイッチング素子４６と還流ダイオード４８を用いた回路にしても良いし、直流電圧源Ｖｃｃから制限抵抗器（不図示）を介して検出コイルＡ、Ｂに直流電流を通電させても良い。図１９の様に還流電流Ｉｆｌｙを用いることによって直流電圧源Ｖｃｃからの消費電力を低減することができる。
【０１０１】
内周に巻回されたバイアスコイル４０の外周に検出コイル４１（Ａ）、４２（Ｂ）が巻回されている。実際に樹脂のボビンに巻回されたコイルアセンブリ５０Ａとして配置されている。各検出コイルＡ、Ｂの両端は、インタフェース回路２０ａ中のトルク検出回路２０Ｄに接続され、直流電圧Ｖｃｃより抵抗器Ｒａを介してそれぞれ検出コイルＡ及び検出コイルＢに接続され、検出コイルＡと検出コイルＢの接続点がスイッチング素子３４を介して接地されており、スイッチング素子３４を矩形波信号ＰＶＦで駆動している。一方、操舵トルクを印加すると各検出コイルＡ、Ｂのインダクタンスが変化するので、例えばトルクを右に加えると、検出コイルＡのインダクタンスＬはＬ→Ｌ＋ΔＬに変化し、検出コイルＢのインダクタンスＬは、Ｌ→Ｌ−ΔＬに変化する。これに抵抗器Ｒａと検出コイルＡ、Ｂに流れる電流が変化するので、抵抗器Ｒａと検出コイルＡ、Ｂの抵抗器Ｒａの接続点の電圧が変化する。この電圧Ｖ１、Ｖ２をボトムホールド回路３１、３２を介して信号処理し、出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２を検出している。そして差動増幅器３３の出力電圧（差動出力）ＶＴ１−ＶＴ２に基づいて操舵トルク信号ＶＴ３を得ている。
【０１０２】
トルク信号ＶＴ３は制御装置２２に出力され、トルク信号ＶＴ３の値に基づいてモータ２４に通電するための目標電流Ｉｔａｒが演算されている。
【０１０３】
図２０に他の実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０Ａの詳細構成図（断面図）を示す。Ｓ４５ＣやＳＣＭ４２０等の鋼材に熱処理を施したセンサ軸１７にＮｉ６５［％］−Ｆｅ３５［％］のめっきを約３０〜４０［μｍ］の厚さで施し磁歪膜ｍｆを設けた後に、センサ軸１７にトルクを印加した状態で高周波加熱にて磁歪膜ｍｆを加熱し、冷却した後に前記トルクを解放して異方性ｍａ１、ｍａ２を付与してある。
【０１０４】
磁歪膜ｍｆ外周に、バイアスコイル４０、検出コイル４１（Ａ）及び検出コイル４２（Ｂ）、インタフェース回路２０ａを一体的に樹脂モールドしてコネクタ１２０Ａを成型した、コイルアセンブリ５０Ａを設けてある。
【０１０５】
検出コイルＡ、Ｂとは異なるバイアスコイル４０に直流成分電流を通電することによって、磁歪膜ｍｆにバイアス磁界Ｈｂｉａｓを印加したので、センサの検出感度を低下することなく磁歪膜ｍｆに十分なバイアス磁界Ｈｂｉａｓを印加することができる。これによって、Ｓ／Ｎを低下させることなく過大トルクＴｅｘ印加時のヒステリシスを低減することが可能となり、外乱による過大トルクＴｅｘの入力が加わった場合であっても出力変化がない、検出精度の高い磁歪式トルクセンサ１０Ａを提供できる。これにより自動車が走行中に車輪を縁石に衝突させた様な場合に、通常の運転時の操舵トルクを大きく上回る過大な捩じりトルクＴｅｘが操舵軸１１に加わった場合であっても、センサ出力にヒステリシスが発生することがなく出力変化がない、しかもＳ／Ｎが、ノイズが少ないため操舵フィーリングが良く、さらにＳ／Ｎが高いために故障検出閾値を小さく設定できて万が一故障が発生した場合であっても安全にフェールセーフを行っている。
【０１０６】
またハンドル近くに磁歪式トルクセンサ１０Ａを設けるコラム軸駆動ＥＰＳでは、ホーン発音時に流れる電流がコラム軸１６を介して直接的にセンサ軸１７を貫通するが、この他の実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０Ａにも、バイアスコイル４０により十分なバイアスが加わっているため、この影響を無くすことができている。
【０１０７】
［実施形態のまとめ］
以上説明したように上述した実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０、（１０Ａ）は、磁気異方性ｍａ１、ｍａ２を有する磁歪膜ｍｆが設けられた軸材としてのセンサ軸１７一体型コラム軸１６と、磁歪膜ｍｆを囲繞するようにセンサ軸１７に巻回され、交流成分電流としての検出電流Ｉｄが通電されて磁歪膜ｍｆを励磁し、コラム軸１６に加えられたトルクによって変化する磁歪膜ｍｆの磁気特性の変化、ここでは透磁率の変化を検出する多重巻の複数の検出コイル４１〜４４（４１、４２）と、これら検出コイル４１〜４４（４１、４２）とは別体であって、磁歪膜ｍｆを囲繞するようにセンサ軸１７に巻回される多重巻きのバイアスコイル４０と、を有し、検出コイル４１〜４４（４１、４２）に前記交流成分電流である検出電流Ｉｄを通電する際に、バイアスコイル４０に直流成分電流であるＩｂａｉｓを通電して、磁歪膜ｍｆにバイアス磁界Ｈｂｉａｓを印加するようにしている。
【０１０８】
ここで、直流成分電流としてのバイアス電流Ｉｂａｉｓは、バイアスコイル４０に誘導電流Ｉｉｎｄと還流電流Ｉｆｌｙとを交互に流した場合の平均電流又は直流電流のいずれの電流でも良い。
【０１０９】
上述した実施形態によれば、センサ軸１７に設けられた磁歪膜ｍｆを囲繞するように巻回された検出コイル４１〜４４（４１、４２）の他に、磁歪膜ｍｆを囲繞するように巻回した別の多重巻コイルに直流成分電流を通電することによってバイアスコイル４０とし、磁歪膜ｍｆにバイアス磁界Ｈｂｉａｓを印加するようにしている。このため、検出コイル４１〜４４をバイアスコイル兼用として使用する従来技術に係る磁歪式トルクセンサ３１０での検出コイル３４１〜３４４の直流抵抗成分（抵抗値Ｒ：図１８参照）の増加を原因とする検出感度の低下を招かずに、磁歪膜ｍｆに十分なバイアス磁界Ｈｂｉａｓを印加することができる。
【０１１０】
このようにして、検出感度の低下が最小限に抑制されるのでＳ／Ｎの低下を招くことなく、且つ十分なバイアス磁界Ｈｂｉａｓが印加されるので過大な捩りトルクＴｅｘの印加時におけるセンサ出力のヒステリシスを低減することができる。結果として、外乱による過大な捩りトルクＴｅｘが印加された場合であっても、センサ出力の変化がなく検出精度の高い磁歪式トルクセンサ１０（１０Ａ）を提供することができる。
【０１１１】
この場合、図２及び図１９に示したように、負極電位と正極電位で定義される直流電圧を発生する直流電源Ｖｃｃの前記正極電位に、バイアスコイル４０の一端側を接続し、バイアスコイル４０の他端側を、一端が前記負極電位に接続され他端が還流ダイオード４８を通じて前記正極電位に接続されるスイッチング素子４６の前記他端に接続し、バイアスコイル４０に通電する前記直流成分電流の大きさを、スイッチング素子４６をスイッチングするパルス幅変調信号であるスイッチング信号Ｓｄのデューティを変化させることで設定するようにする。
【０１１２】
このようにすれば、磁歪膜ｍｆにバイアス磁界Ｈｂｉａｓを印加するバイアスコイル４０に通電する直流成分電流を、パルス幅変調信号により駆動されるスイッチング素子４６のオン時に直流電源Ｖｃｃからバイアスコイル４０に通電される誘導電流Ｉｉｎｄと、スイッチング素子４６のオフ時に還流ダイオード４８を通流する還流電流との平均電流で通電するようにしたので、連続して平均電流を供給する直流電源に比較して直流電源の消費電力を低減することができる。
【０１１３】
磁歪式トルクセンサ１０（１０Ａ）を用いた電動パワーステアリング装置１２もこの発明に含まれる。この電動パワーステアリング装置１２によれば、バイアスコイル４０が検出コイル４１〜４４（４１、４２）とは別コイルにされた磁歪式トルクセンサ１０（１０Ａ）を電動パワーステアリング装置１２に用いたので、従来技術のような感度低下を招くことなく、自動車の走行中に、例えば車輪を縁石に衝突させたような場合に、通常の運転時の操舵トルクを大きく上回る過大な捩じりトルクＴｅｘが操舵軸１１に加わったときであっても、センサ出力にヒステリシスが発生することがなく、センサ出力が変化することがない。
【０１１４】
従来技術よりも検出感度を高くすることができるので、Ｓ／Ｎが高くなって操舵フィーリングが良くなる。また、Ｓ／Ｎが高いために、例えば４個の検出コイル４１〜４４をブリッジ接続し中点間に発生する電圧の和電圧を故障検出電圧としたときに閾値として設定する故障検出閾値の範囲を小さな値にすることができ、故障を高感度に検出することができる。
【０１１５】
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、例えば、図４の実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０に代えて、図２１の変形例の磁歪式トルクセンサ１０ａに示すように、バイアスコイル４０を検出コイルＡ〜Ｄの外側に配置した構成に変更しても良く、図２２の他の変形例の磁歪式トルクセンサ１０ｂ、及び図２３のさらに他の変形例の磁歪式トルクセンサ１０ｃに示すように、バイアスコイル４０をセンサ軸１７の軸方向の別の場所に配置するように構成を変更しても良い。
【０１１６】
同様に、図示はしないが、図２０の他の実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０Ａに代えて、図２１〜図２３の変形例と同様に、バイアスコイル４０を検出コイルＡ、Ｂの外側に配置した構成に変更し、あるいはバイアスコイル４０をセンサ軸１７の軸方向の別の場所に配置するように構成を変更する等、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【０１１７】
１０、１０Ａ、１０ａ〜１０ｃ…磁歪式トルクセンサ
１２…電動パワーステアリング装置
１６…コラム軸（センサ軸一体型コラム軸）
１７…センサ軸                          ４０…バイアスコイル
４１〜４４…検出コイル                  Ｈｂｉａｓ…バイアス磁界
Ｉｂｉａｓ…バイアス電流                Ｉｄ…検出電流
Ｉｆｌｙ…還流電流                      Ｉｉｎｄ…誘導電流
ｍａ１、ｍａ２…異方性（磁気異方性）    ｍｆ…磁歪膜
【図１】
2014219217.tif 000003
【図２】
2014219217.tif 000004
【図３】
2014219217.tif 000005
【図４】
2014219217.tif 000006
【図５】
2014219217.tif 000007
【図６】
2014219217.tif 000008
【図７】
2014219217.tif 000009
【図８】
2014219217.tif 000010
【図９】
2014219217.tif 000011
【図１０】
2014219217.tif 000012
【図１１】
2014219217.tif 000013
【図１２】
2014219217.tif 000014
【図１３】
2014219217.tif 000015
【図１４】
2014219217.tif 000016
【図１５】
2014219217.tif 000017
【図１６】
2014219217.tif 000018
【図１７】
2014219217.tif 000019
【図１８】
2014219217.tif 000020
【図１９】
2014219217.tif 000021
【図２０】
2014219217.tif 000022
【図２１】
2014219217.tif 000023
【図２２】
2014219217.tif 000024
【図２３】
2014219217.tif 000025
【図２４】
2014219217.tif 000026
【図２５】
2014219217.tif 000027