(57)【要約】【課題】小型で軽量の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】磁歪式トルクセンサ１４４は、軸材２３に設けられた磁気異方性ｍａを有する磁歪膜ｍｆに通す磁束φを出力する界磁部２１１、２１２と、界磁部２１１、２１２から出力され、磁歪膜ｍｆを通った磁束φを検出する磁束検出部１２１、１２２と、を備える。界磁部２１１、２１２は、静磁界による磁束φを発生する磁束発生部１０１、１０２と、磁束発生部１０１、１０２に係合されたヨーク１１１、１１２により構成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
捻り方向が単方向の磁気異方性を有する磁歪膜が設けられた軸材と、
前記磁歪膜に対し前記軸材の一方向に磁束を発生させる第１界磁部と、
前記磁歪膜に前記一方向に流れる前記磁束を検出する第１磁束検出部と、
前記磁歪膜に対し前記一方向の反対方向に磁束を発生させる第２界磁部と、
前記磁歪膜に前記反対方向に流れる前記磁束を検出する第２磁束検出部と、
を備え、
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、前記第１及び第２磁束検出部の両検出出力に基づきトルク信号として検出する
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、
前記磁歪膜がＮｉＦｅめっき膜である
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において、
前記第１界磁部は、前記一方向の前記磁束を発生させる第１永久磁石と、該第１永久磁石に磁気的に結合される第１ヨークとにより構成され、
前記第２界磁部は、前記一方向の反対方向の前記磁束を発生させる第２永久磁石と、該第２永久磁石に磁気的に結合される第２ヨークとにより構成される
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、
前記第１ヨークは、前記第１永久磁石から発生された前記一方向の前記磁束を前記磁歪膜に導入すると共に前記磁歪膜の一部を前記一方向に流れた前記磁束を導出するよう構成され、
前記第２ヨークは、前記第２永久磁石から発生された前記一方向の反対方向の前記磁束を前記磁歪膜に導入すると共に前記磁歪膜の一部を前記一方向の反対方向に流れた前記磁束を導出するよう構成されている
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、
前記第１界磁部は、永久磁石と、該永久磁石により前記一方向の前記磁束を発生させ、該永久磁石に磁気的に結合される第１ヨークと、により構成され、
前記第２界磁部は、前記永久磁石と、該永久磁石により前記一方向の反対方向の前記磁束を発生させ、該永久磁石に磁気的に結合される第２ヨークと、により構成される
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁歪式トルクセンサにおいて、
前記第１及び第２磁束検出部は、それぞれホール素子を有し、各ホール素子が検出した磁界に基づき各前記磁束を検出する
ことを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁歪式トルクセンサが適用され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が適用される電動パワーステアリング装置に関し、特に、操向ハンドル（ステアリングホィール）等の操作部材による車両の操舵時に、電動機の動力を操舵系（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を軽減する電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２７の模式的構成図に示すように、従来技術（特許文献１）に係る磁歪式トルクセンサ（操舵トルクセンサ）４４を搭載したピニオン駆動型の電動パワーステアリング装置１０は、ステアリング軸（操舵軸）１４上に設けられた図２８に詳細を示す磁歪式トルクセンサ４４によって検出された操舵トルク信号（出力電圧）ＶＴをＥＣＵ（制御装置）１１０中に設けられた変換回路にて操舵トルク信号ＶＴ３（図２９）に変換し、この操舵トルク信号ＶＴ３、車速信号及びモータ回転信号に基づいて、ＥＣＵ１１０にて電動機（モータ）３６に動力を発生させるための目標モータ電流（目標電流）を演算する。
【０００３】
ＥＣＵ１１０はこの目標モータ電流を電動機３６に通電するための駆動電圧（ＰＷＭ信号）を発生すると共に、実際に電動機３６に通電された実モータ電流を電流センサにて検出し、前記目標モータ電流と実モータ電流が一致するようにＰＩ（比例・積分）制御を行って電動機３６に動力を発生させている。
【０００４】
このようにして発生した電動機３６の動力をピニオン軸２２に設けた減速機構４２（ウォームギヤ３８とウォームホィールギヤ４０）を介して、ステアリング軸１４に伝達させて運転者の操舵負荷を軽減している（特許文献１参照）。
【０００５】
ここで、磁歪式トルクセンサ（操舵トルクセンサ）４４としては、例えばＮｉＦｅめっきを磁歪膜ｍｆ（ｍｆ１、ｍｆ２）とした磁歪式トルクセンサ４４（図２８参照）が用いられている。
【０００６】
図２８は、従来の磁歪式トルクセンサ４４を用いたピニオン駆動型の前記電動パワーステアリング装置１０の一部断面図である。
【０００７】
図２９は、従来の磁歪式トルクセンサ４４のトルク検出回路図である。
【０００８】
図３０は、磁歪式トルクセンサ４４に加えられた操舵トルク（入力トルク）Ｔｓ［ｋｇｆｃｍ］に対応する出力電圧ＶＴ［Ｖ］の例としての特性図である。
【０００９】
図２７及び図２８に示すように、前記の磁歪膜ｍｆには、ピニオン軸２２の上下に方向の異なる第１異方性（第１磁気異方性）ｍａ１及び第２異方性（第２磁気異方性）ｍａ２が付与され、それぞれに対し第１検出コイル５１及び第２検出コイル５２、第３検出コイル５３及び第４検出コイル５４が設けられている。
【００１０】
第１〜第４検出コイル５１〜５４は、図２９に示すように、一端側に抵抗器を通じて直流電源Ｖｂｂが供給され、他端側がスイッチング素子６８の出力端に接続されると共に、ピーク値抑制用の抵抗器、ダイオードを通じて直流電源Ｖｂｂに接続されている。このように接続される第１〜第４検出コイル５１〜５４は、繰り返し矩形波の駆動信号（励磁信号）Ｓｄにてスイッチング素子６８を介して駆動され、このときに発生する第１〜第４検出コイル５１〜５４の中点電圧Ｖｍａ２、Ｖｍａ１を、それぞれボトムホールド回路８１、８２でホールドした後、増幅回路（増幅器ともいう。）８３、８４で増幅することで、図３０の特性で示す出力電圧ＶＴ１及び出力電圧ＶＴ２を得ている。
【００１１】
出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２の差動出力である操舵トルク信号ＶＴ３（図３０）を差動増幅回路（差動増幅器ともいう。）８６により得、上述したように、この操舵トルク信号ＶＴ３に基づいて、目標電流を演算している。なお、出力電圧ＶＴ１、ＶＴ２を用いて故障検出を行うことができる。
【００１２】
この場合、第１〜第４検出コイル５１〜５４に前記駆動信号Ｓｄに基づく交番電流を通電し、その平均電流により磁歪膜ｍｆ中に所定の磁界を発生させ、出力のヒステリシスを低減している。
【００１３】
次に、特許文献２には、この発明と同様に、軸材（シャフト）のトルクを検出するためにホール素子を用いたトルク検出装置が提案されている。特許文献２に係るトルク検出装置は、トルクを受ける大きさに応じた捻れを生じる軸材と、この軸材の捻れを受ける部分に形成されたアモルファス部材と、このアモルファス部材に近接して配置されるＳ極とＮ極とを有する磁石と、前記トルクの大きさに応じて前記アモルファス部材を通る磁束の変化よりトルクの大きさを検出するトルク検出用ホール素子とを備え、前記磁石は所定の間隔をおいて２つ設けられ、一方の磁石のＮ極が他方の磁石のＳ極と対向し、且つ前記一方の磁石のＳ極が前記他方の磁石のＮ極と対向するように配置され、前記トルク検出用ホール素子が前記２つの磁石の略中央の位置に配置された構成を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００６−６４４４５号公報（図１）
【特許文献２】特公平７−１１９６５７号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
図２７〜図３０を参照して説明した従来技術に係る磁歪式トルクセンサ４４は、４個の多重巻きの励磁兼用の第１〜第４検出コイル５１〜５４を用いると共に、図２９に示した検出回路を用いることにより、高感度に操舵トルクを検出することができるが、４つの多重巻きの第１〜第４検出コイル５１〜５４を対向させて配置するため磁歪膜ｍｆが軸方向に長くなっていた。さらに磁歪膜ｍｆ１、ｍｆ２中に所定の磁界を発生させるために第１〜第４検出コイル５１〜５４の巻き数を多く設定しているため、磁歪式トルクセンサ４４が大型化すると共に重量が重くなるという課題があった。
【００１６】
さらに、図２９に示した従来技術に係る検出回路では、繰り返し矩形波の駆動信号（励磁信号）Ｓｄにてスイッチング素子６８を介して駆動（交流電流が通電）される第１〜第４検出コイル５１〜５４の中点電圧Ｖｍａ２、Ｖｍａ１の過渡応答である、いわゆる抵抗・インダクタンス応答（ＲＬ応答という。）を検出するようにしているので、検出回路の回路規模が比較的に大きくなるという課題があった。
【００１７】
一方、上記特許文献２に開示されたホール素子を用いた磁歪式トルクセンサは、小型で重量が軽いものと思量されるが、永久磁石で生成された磁束の変化を、ホール素子で直接検出するようにしているので、外部からの電磁ノイズに対するロバスト性が低いという課題がある。
【００１８】
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、小型、軽量で且つ外部からの電磁ノイズに対するロバスト性が向上した磁歪式トルクセンサ及び前記磁歪式トルクセンサが適用され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する。
【００１９】
なお、上記した図２７及び図２８の図面において、符号の意味を説明していない部材については、［発明を実施するための形態］（実施形態）の項にて説明する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この発明に係る磁歪式トルクセンサは、捻り方向が単方向の磁気異方性（単に異方性ともいう。）を有する磁歪膜が設けられた軸材と、前記磁歪膜に対し前記軸材の一方向に磁束を発生させる第１界磁部と、前記磁歪膜に前記一方向に流れる前記磁束を検出する第１磁束検出部と、前記磁歪膜に対し前記一方向の反対方向に磁束を発生させる第２界磁部と、前記磁歪膜に前記反対方向に流れる前記磁束を検出する第２磁束検出部と、を備え、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、前記第１及び第２磁束検出部の両検出出力に基づきトルク信号として検出することを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、従来技術に係る特開２００６−６４４４５号公報では、上下の磁歪膜に左右両方向に付与していた磁歪膜の異方性が、単方向でよくなるので生産性が向上すると共に、４つの検出コイルを用いることなくトルクを検出することが可能であるので、磁歪式トルクセンサを小型・軽量にすることができる。さらに第１及び第２界磁部によって前記磁歪膜に一方向及びこれと反対方向に磁束を通し、前記磁歪膜からの前記両方向の前記磁束を検出する第１及び第２磁束検出部の出力に基づいて前記磁歪膜の磁気特性の変化を検出するので、従来技術に係る特公平７−１１９６５７号公報に開示された発明に比較して外部からの電磁ノイズに対するロバスト性が向上する。
【００２２】
前記磁歪膜に磁束を通す前記一方向及びこれと反対方向は、前記軸材に設けた磁歪膜の円周方向又は軸方向等任意の方向に選択することができる。
【００２３】
この場合、磁歪膜をＮｉＦｅめっき膜とすることで、磁歪膜の透磁率を大きくすることができ、小さい磁界で多くの磁束を発生させることができるため、出力感度を高くすることができると共にノイズタフネスが向上する。
【００２４】
前記第１界磁部は、前記一方向に前記磁束を発生させる第１永久磁石と、該第１永久磁石に磁気的に結合される第１ヨークとにより構成され、前記第２界磁部は、前記一方向の反対方向の前記磁束を発生させる第２永久磁石と、該第２永久磁石に磁気的に結合される第２ヨークとにより構成されるようにしたので、界磁巻線や界磁電源が不要となりセンサを小さく構成できると共に、組立性が向上する。またヨークを有するので永久磁石で発生した磁束を磁歪膜に漏れなく通すことができ、出力感度が向上する。
【００２５】
磁束発生部としては、例えば、永久磁石、又は電磁石を用いることができる。電磁石は、前記ヨークにコイルを巻回し、コイルに一定の直流電流を流すようにして構成することもできる。磁束検出部としては、ホール素子、又は磁気抵抗素子等の磁気センサ（磁束検出デバイス）を利用することができる。なお、磁束発生部としては、磁束発生部用の電源が不要になるので、永久磁石を用いることが好ましい。
【００２６】
なお、第１磁束検出部は、第１ヨークから前記一方向の磁束を検出し、第２磁束検出部は、第２ヨークから前記一方向の反対方向の磁束を検出するよう構成したので、検出位置（検出点）の磁束密度を高くすることが可能になり、検出精度が向上する。
【００２７】
また、前記第１界磁部は、永久磁石と、該永久磁石により前記一方向の前記磁束を発生させ、該永久磁石に磁気的に結合される第１ヨークと、により構成し、前記第２界磁部は、前記永久磁石と、該永久磁石により前記一方向の反対方向の前記磁束を発生させ、該永久磁石に磁気的に結合される第２ヨークと、により構成するようにしてもよい。
【００２８】
さらに、第１及び第２磁束検出部にホール素子を用いることで、従来技術に係る特開２００６−６４４４５号公報のように、交流電流を通電して検出回路のＲＬ応答により検出していた回路に比較して、小規模な検出回路で検出できるようになる。
【００２９】
さらにまた、前記磁歪式トルクセンサが適用された電動パワーステアリング装置もこの発明に含まれる。
【発明の効果】
【００３０】
この発明によれば、多重巻きの４個の励磁兼用検出コイルを用いることなくトルクを検出することが可能になり、磁歪式トルクセンサを小型・軽量にすることができる。
【００３１】
すなわち、第１及び第２界磁部により発生した静磁界による磁束を、軸材に設けた単方向の磁気異方性を有する磁歪膜に一方向及びこれと反対方向に通し、前記磁歪膜を通った両方向の磁束を第１及び第２磁束検出部で検出する構成としたため、小型・軽量化が図れ、第１及び第２界磁部が発生する磁束を高効率（高磁束密度）下に磁歪材を通して第１及び第２磁束検出部で検出することができる。結果として、検出精度（検出感度）を高くでき、外部からの電磁ノイズに対するロバスト性（タフネス性）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の第１〜第４実施例に係る磁歪式トルクセンサを搭載したピニオン駆動型の電動パワーステアリング装置の模式的構成図である。
【図２】図１例の電動パワーステアリング装置の正面一部断面図である。
【図３】この発明の第１〜第４実施例に係る磁歪式トルクセンサを搭載したコラム駆動型の電動パワーステアリング装置の模式的構成図である。
【図４】第１実施例に係る磁歪式トルクセンサの一部省略斜視図である。
【図５】第１実施例に係る磁歪式トルクセンサにおける磁束の流れる方向を説明する一部省略斜視図である。
【図６】図６Ａは、第１実施例に係る磁歪式トルクセンサにおける上側界磁部に係る磁束の流れる方向を説明する一部省略模式的横断面図である。図６Ｂは、第１実施例に係る磁歪式トルクセンサにおける下側界磁部に係る磁束の流れる方向を説明する一部省略模式的横断面図である。
【図７】軸材の磁歪膜に磁気異方性を付与する工程の説明図である。
【図８】磁気異方性の付与前後の入力トルクと比透磁率との関係を示す特性図である。
【図９】図９Ａは、磁束検出部の使用回路例図である。図９Ｂは、磁束検出部を貫通する磁束と出力電圧との関係を示す入出力特性図である。
【図１０】図１０Ａは、入力トルクと、磁歪膜及びヨークを含む磁路の透磁率との関係を示す特性図である。図１０Ｂは、入力トルクとヨークの磁束密度との関係を示す特性図である。図１０Ｃは、入力トルクと磁束検出部の出力電圧との関係を示す特性図である。図１０Ｄは、入力トルクとトルク検出回路で検出される出力電圧との関係を示す特性図である。
【図１１】第１実施例に係る磁歪式トルクセンサに供されるトルク検出回路図である。
【図１２】入力トルクと第１ヨークの磁束密度との関係を示す特性図である。
【図１３】図１３Ａは、入力トルクが相対的に小さいときの第１ヨークに流れる磁束の模式的説明図である。図１３Ｂは、入力トルクが中程度であるときの第１ヨークに流れる磁束の模式的説明図である。図１３Ｃは、入力トルクが相対的に大きいときの第１ヨークに流れる磁束の模式的説明図である。
【図１４】第１実施例に係る磁歪式トルクセンサの一部省略斜視図である。
【図１５】第２実施例に係る磁歪式トルクセンサの一部省略斜視図である。
【図１６】第２実施例に係る磁歪式トルクセンサにおける上側界磁部に係る磁束の流れる方向を説明する一部省略模式的横断面図である。
【図１７】第２実施例に係る磁歪式トルクセンサに供されるトルク検出回路図である。
【図１８】図１８Ａは、入力トルクと第１磁束検出部の出力電圧との関係を示す特性図である。図１８Ｂは、入力トルクと第２磁束検出部の出力電圧との関係を示す特性図である。図１８Ｃは、入力トルクと第３磁束検出部の出力電圧との関係を示す特性図である。図１８Ｄは、入力トルクと第４磁束検出部の出力電圧との関係を示す特性図である。
【図１９】図１７のトルク検出回路で検出される入力トルクに対する出力電圧と操舵トルク信号の関係を示す特性図である。
【図２０】第２実施例に係る磁歪式トルクセンサに供される第１変形例のトルク検出回路図である。
【図２１】第２実施例に係る磁歪式トルクセンサに供される第２変形例のトルク検出回路図である。
【図２２】第３実施例に係る磁歪式トルクセンサの一部省略斜視図である。
【図２３】第３実施例に係る磁歪式トルクセンサの模式的縦断面説明図である。
【図２４】第４実施例に係る磁歪式トルクセンサの一部省略斜視図である。
【図２５】磁歪膜のＢ−Ｈカーブとバイアス磁界との関係を示す特性説明図である。
【図２６】磁歪膜の磁界と透磁率との関係を示す特性説明図である。
【図２７】従来技術に係る磁歪式トルクセンサが搭載された電動パワーステアリング装置の模式的構成図である。
【図２８】従来技術に係る磁歪式トルクセンサの正面断面図である。
【図２９】従来技術に係る磁歪式トルクセンサに適用されるトルク検出回路図である。
【図３０】図２９のトルク検出回路で検出される操舵トルクと出力電圧の関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００３４】
なお、以下に参照する図面において、上記図２７〜図３０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は省略する。また、繁雑さを避けるために、必要に応じて上記図２７〜図３０をも参照して説明する。
【００３５】
図１は、この発明の第１〜第４実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４（１４４Ａ、１４４Ｂ、及び１４４Ｃ）が搭載（適用）されるピニオン駆動型の電動パワーステアリング装置１０の模式的構成図である。
【００３６】
図２は、図１例の電動パワーステアリング装置１０の正面一部断面図である。
【００３７】
図１において、電動パワーステアリング装置１０は、操向ハンドル１２に連結されたステアリング軸１４を備えている。ステアリング軸１４は、操向ハンドル１２に一体結合されたメインステアリングシャフト１６と、ラック＆ピニオン機構１８のピニオンギヤ２０が設けられたピニオン軸２２（図２も参照）とが、自在継ぎ手２４によって連結された構成にされている。
【００３８】
ピニオン軸２２は、ギヤハウジング２９（２９ａ、２９ｂ）に設けられた軸受２６ａ、２６ｂによって、その下部、中間部を支持されており、ピニオンギヤ２０はピニオン軸２２の下端部に設けられている。ピニオンギヤ２０は、車幅方向に往復動し得るラック軸２８のラックギヤ３０に噛合し、ラック軸２８の両端には、タイロッド３２を介して転舵輪としての左右の前輪３４が連結されている。
【００３９】
図２に示すように、ラック軸２８のラックギヤ３０の裏面側は、ラックガイド４７上を摺動する。このラックガイド４７の裏面側は、ラックハウジング３１に螺合されたラックガイドねじ４８に一端が着座したラックガイドスプリング４９（圧縮スプリング）の他端を通じて押圧力が付与されている。
【００４０】
この構成により、操向ハンドル１２の操舵時に通常のラック＆ピニオン式の転舵操作が可能であり、前輪３４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２８、ラックギヤ３０、タイロッド３２は転舵機構３３を構成する。
【００４１】
転舵機構３３と、ステアリング軸１４（自在継ぎ手２４によって連結されたメインステアリングシャフト１６と、ラック＆ピニオン機構１８のピニオンギヤ２０が設けられたピニオン軸２２）と、操向ハンドル１２とによりステアリング系が構成される。
【００４２】
また、電動パワーステアリング装置１０は、操向ハンドル１２による操舵力を軽減するための補助操舵力をピニオン軸２２に供給する電動機（モータ）３６を備えており、この電動機３６の出力軸３７に設けられたウォームギヤ３８（図１には現れていないが、図２７参照）が、図１に示すように、ピニオン軸２２の中間部の軸受２６ｂの上側に設けられたウォームホィールギヤ４０に噛合している。ウォームギヤ３８とウォームホィールギヤ４０により減速機構４２が構成される。減速機構４２は、電動機３６の回転・駆動力をピニオン軸２２の回転・駆動力に滑らかに且つ倍力変換する。
【００４３】
また、ピニオン軸２２の中間部の軸受２６ｂの上部には、磁歪に起因する磁気特性、すなわち逆磁歪効果による磁気特性の変化に基づいてピニオン軸２２（ステアリング軸１４）のトルクを検出する磁歪式トルクセンサ１４４が配置されている。
【００４４】
図３は、同様に、この発明の第１〜第４実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４（１４４Ａ、１４４Ｂ、及び１４４Ｃ）が搭載（適用）されるコラム駆動型の電動パワーステアリング装置１０Ａの模式的構成図である。
【００４５】
このコラム駆動型の電動パワーステアリング装置１０Ａでは、メインステアリングシャフト１６と自在継ぎ手２４間にコラム軸１１（鋼材による回転軸であり、後述するように、軸材２３ともいう。）が設けられている。
【００４６】
コラム軸１１はその下部、中間部、上部を軸受２７ａ、２７ｂ、２７ｃによって支持されている。
【００４７】
この電動パワーステアリング装置１０Ａは、操向ハンドル１２による操舵力を軽減するための補助操舵力をコラム軸１１に供給する電動機３６を備えており、この電動機３６の出力軸３７に設けられたウォームギヤ３８が、コラム軸１１の軸受２７ｂと軸受２７ａとの間に設けられたウォームホィールギヤ４０に噛合している。ウォームギヤ３８とウォームホィールギヤ４０により減速機構４２が構成される。減速機構４２は、電動機３６の回転・駆動力をコラム軸１１の回転・駆動力に滑らかに且つ倍力変換する。
【００４８】
この場合において、コラム軸１１の中間部の軸受２７ｂと上部の軸受２７ａ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１１（メインステアリングシャフト１６）のトルクを検出する磁歪式トルクセンサ１４４（１４４Ａ、１４４Ｂ）が配置されている。
【００４９】
以下、図１及び図３に示した電動パワーステアリング装置１０、１０Ａに搭載（適用）される磁歪式トルクセンサの第１実施例（磁歪式トルクセンサ１４４）、第２実施例（磁歪式トルクセンサ１４４Ａ）、及び第３実施例（磁歪式トルクセンサ１４４Ｂ）について、図１に示したピニオン駆動型の電動パワーステアリング装置１０への搭載を例として説明する。
【００５０】
［第１実施例］
この発明の第１実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４について説明する。
【００５１】
図４は、第１実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４の一部の斜視構成を示している。
【００５２】
図１及び図２に示すように、第１実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４は、ピニオンギヤ２０とラックギヤ３０とを備えるラック＆ピニオン機構１８のピニオン軸（軸材）２２に設けられた軸材（鋼材による回転軸）２３の外周全周に設けられ、単一の捻り方向（捻り方向が単方向）の磁気異方性（以下、異方性ともいう。）ｍａが付与された円筒状の磁歪膜（ＮｉＦｅめっき膜）（磁歪部）ｍｆと、この磁歪膜ｍｆに直流磁界（静磁界による磁束φ）を発生させる第１及び第２磁束発生部（界磁部又は磁束発生部ともいう。ここでは、永久磁石）１０１、１０２と、第１及び第２磁束発生部１０１、１０２の磁束（磁界）φを磁歪膜ｍｆに出力し（印加し）、多くの磁束φを安定的に流すための第１及び第２ヨーク１１１、１１２と、を有する。
【００５３】
第１及び第２ヨーク１１１、１１２は、それぞれ磁性体の薄板（軟鉄）が積層された詳細を後述する円弧状部を有する形状である、磁性材料薄板の積層体構造とされ、この積層体構造により渦電流の発生を抑制できる構成になっている。第１及び第２ヨーク１１１、１１２は、同形状であり、各円弧状部は、軸材２３の径より大径であって、軸材２３の円周よりも大径の同心円上に乗る形状に形成されている。
【００５４】
磁束発生部１０１と第１ヨーク（単に、ヨークともいう。）１１１により界磁部（第１界磁部）２１１が形成され、磁束発生部１０２と第２ヨーク（単に、ヨークともいう。）１１２により界磁部（第２界磁部）２１２が形成されている。
【００５５】
この場合、図５に示すように、第１及び第２ヨーク１１１、１１２を介して磁歪膜ｍｆに流れる磁束φの方向が逆方向になるように、第１及び第２磁束発生部１０１、１０２の磁極ＮＳの向きが互いに逆向きに決められている。
【００５６】
磁歪式トルクセンサ１４４は、軸材２３に作用される捩りトルク（電動パワーステアリング装置１０、１０Ａの場合、操舵トルク）に応じて変化する磁歪膜ｍｆの透磁率（比透磁率）の変化を検出する。
【００５７】
図６Ａ、図６Ｂは、それぞれ、図４及び図５に示した第１実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４の第１界磁部２１１及び第２界磁部２１２の模式的横断面説明図である。
【００５８】
第１ヨーク１１１を例としてヨークの形状等について説明する。第１ヨーク１１１は、磁束発生部１０１から軸材２３の周方向に沿って両方向に第１及び第２ヨーク１１１ａ、１１１ｂとして、軸材２３の軸心Ｏに対して対向する位置（中心角で１８０°の位置）まで円弧状に延び、さらに、軸心Ｏに向かって僅かに延び、さらに、第１及び第２ヨーク１１１ａ、１１１ｂからそれぞれ、軸材２３の周方向に沿って外側及び内側の両方向に円弧状に延びて、第１ヨーク１１１ａから離れる方向（外側方向）に第１分岐ヨーク３０１が形成されると共に、第１ヨーク１１１ａに近づく方向（内側方向）に第２分岐ヨーク３０２が形成される一方、第２ヨーク１１１ｂから離れる方向（外側方向）に第３分岐ヨーク３０３が形成されると共に、第２ヨーク１１１ｂに近づく方向（内側方向）に第４分岐ヨーク３０４が形成され、第１分岐ヨーク３０１と第４分岐ヨーク３０４は、軸材２３の軸心Ｏに対して対称（相互に逆側）に配される開放端を有し、各前記開放端は、軸材２３の軸心Ｏ（周面）に向かって凸形状を呈する第１ティース４０１及び第４ティース４０４とされ、第２分岐ヨーク３０２と第３分岐ヨーク３０３は、軸材２３の軸心Ｏに対して対称（相互に逆側）に配される開放端を有し、各前記開放端は、軸材２３の軸心Ｏ（周面）に向かって凸形状を呈する第２ティース４０２及び第３ティース４０３とされる。
【００５９】
このような第１ヨーク１１１の構成下に、磁束発生部１０１のＮ極から第１ヨーク１１１ａ、第１分岐ヨーク３０１、及び第１ティース４０１を通じて磁束φを図６Ａ中、軸材２３の上側の周面（表面）に出力し、磁歪膜ｍｆの片側の周方向を通らせた磁束φを、第３ティース４０３に入力させ、第３分岐ヨーク３０３、及び第２ヨーク１１１ｂに磁束φを通すことで磁束発生部１０１のＳ極までの第１磁路を形成する一方、磁束発生部１０１から第１ヨーク１１１ａ、第２分岐ヨーク３０２、及び第２ティース４０２を通じて磁束φを出力し、磁歪膜ｍｆの軸心Ｏに対向する他の片側の周方向を通らせた磁束φを、第４ティース４０４に入力させ、第４分岐ヨーク３０４、及び第２ヨーク１１１ｂに磁束φを通すことで磁束発生部１０１のＳ極までの第２磁路を形成し、合成された前記第１磁路及び前記第２磁路中に第１磁束検出部１２１（例えば、ホール素子）を設けた構成としている。
【００６０】
上述したように、磁歪式トルクセンサ１４４は、軸材２３に作用される捩りトルクに応じて変化する磁歪膜ｍｆの透磁率μの変化を検出する。
【００６１】
磁歪膜ｍｆの透磁率μの変化は磁束φを変化させるので、この際の磁束φの変化を第１ヨーク１１１ａと第２ヨーク１１１ｂに挟まれた第１磁束検出部１２１にて検出すると共に、ヨーク１１２ａとヨーク１１２ｂに挟まれた第２磁束検出部１２２（この場合も、例えば、ホール素子）にて検出する。
【００６２】
図７に示すように、軸材２３に磁歪膜ｍｆが施され、以下に説明するように異方性ｍａが付与されている。すなわち、軸材２３に磁歪膜ｍｆを形成した後、軸材２３に所定の捩りトルクを加えた状態で熱処理を行い、自然に冷却した後に、捩りトルクを取り除く。これにより、磁歪膜ｍｆに磁気異方性ｍａが設けられる。特開２００６−６４４４５号公報に開示された従来技術では上下の磁歪部に左右異なる異方性を付与するために、この工程を左右二回に渡って行っていたが、この工程が単方向の一回でよくなり生産性が向上する。
【００６３】
このときの熱処理は高周波加熱によって所定時間加熱する。また、好ましくは、磁歪膜ｍｆは主成分がＦｅＮｉ（鉄ニッケル）からなり、所定の捩りトルクは５０Ｎｍ以上且つ１００Ｎｍ以下である。
【００６４】
図８は、異方性ｍａが付与される前と、異方性ｍａが付与された後の軸材２３の入力トルクＴｓ［Ｎｍ］と磁歪膜ｍｆの比透磁率μｓの関係を示している。異方性ｍａが付与されることにより、右方向の入力トルクＴｓに対して磁歪膜ｍｆの透磁率μが増大する。
【００６５】
図９Ａはホール素子である第１及び第２磁束検出部１２１、１２２の使用回路例、図９Ｂは、第１及び第２磁束検出部１２１、１２２の入出力特性１２４を示す。
【００６６】
第１及び第２磁束検出部１２１、１２２に印加電圧Ｖｃにより制御電流Ｉｃが通電されているときに、磁束密度Ｂ［Ｔ］の磁束φが第１及び第２磁束検出部１２１、１２２を貫通すると、ホール電圧である出力電圧ＶHが、公知のように、ＶH＝ｋ×Ｉｃ×Ｂとして得られる。ここで、ｋは積感度である。制御電流Ｉｃが一定であれば、入出力特性１２４に示すように、出力電圧ＶHは、磁束密度Ｂに比例する。
【００６７】
なお、直方体の形状で描いている第１及び第２磁束検出部１２１、１２２に対する印加電圧Ｖｃのプラス側（制御電流Ｉｃの流し込み側）の面には、ホール素子等の第１及び第２磁束検出部１２１、１２２の極性を明確にするための二等辺三角形を記入している。二等辺三角形の底面側に対応する第１及び第２磁束検出部１２１、１２２の磁束検出面（便宜上、正側の面という。）から二等辺三角形の頂点側に対応する第１及び第２磁束検出部１２１、１２２の磁束検出面（便宜上、負側の面という。）を貫いて磁束φが通った場合には、基準電位を０［Ｖ］として考えた場合、出力電圧ＶHは正方向に増加し、逆方向に、言い換えれば、負側から正側に（二等辺三角形の頂点側から底面側に）磁束φが通った場合には、出力電圧ＶHが負方向に増加するものとする。
【００６８】
図４、図５、図６Ａ、及び図６Ｂに示したように、第１及び第２ヨーク１１１、１１２を介して磁歪膜ｍｆに流れる磁束φの方向が互いに逆方向になるように第１及び第２磁束発生部１０１、１０２の磁極ＮＳの向きが決められている。
【００６９】
このため、図１０Ａに示すように、捩りトルクＴ［Ｎｍ］に対して磁歪膜ｍｆの透磁率μが変化すると、捩りトルクＴ［Ｎｍ］が加えられたときの第１及び第２ヨーク１１１、１１２の磁束密度Ｂ１、Ｂ２は、図１０Ｂに示すように変化する。たとえば捩りトルクＴが正方向（時計方向）に加わると、透磁率μが図１０Ａのように増大するため、第１及び第２ヨーク１１１、１１２の磁路中の磁束密度Ｂ１及びＢ２の大きさ（絶対値）が増大する。磁束密度Ｂ１と磁束密度Ｂ２では磁束φの極性が異なるので、磁束密度Ｂ１は正の方向に増大し、磁束密度Ｂ２は負の方向に増大する。
【００７０】
従って、第１及び第２ヨーク１１１、１１２の磁路中に極性が同方向に設けられた第１及び第２磁束検出部１２１、１２２は、第１磁束検出部１２１には正側より磁束φが流入し、第２磁束検出部１２２には負側より磁束φが流入するので、図１０Ｃに示すような出力電圧ＶH1、ＶH2をそれぞれ出力する。このとき、第１及び第２磁束検出部１２１、１２２には一定の制御電流Ｉｃが通電されている。
【００７１】
ここで、図１０Ｄに示すように、第１及び第２磁束検出部１２１、１２２の出力電圧ＶH1、ＶH2を回路（後述する。）にてオフセットさせ、入力トルク（入力捩りトルク）Ｔ［Ｎｍ］がゼロ値のときの出力電圧ＶH（ＶH1、ＶH2）の電圧を２．５［Ｖ］になるように設定した出力電圧ＶＴ１、ＶＴ２に変換する。出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２の差電圧よりトルク電圧である操舵トルク信号ＶＴ３｛ＶＴ３＝Ｇ（ＶＴ１−ＶＴ２）＋２．５；Ｇは、ゲインであり定数｝が得られる。
【００７２】
この操舵トルク信号ＶＴ３に基づいて電動パワーステアリング装置１０（１０Ａ）を制御する。
【００７３】
また、出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２の和電圧より故障検出信号ＶＴＦをＶＴＦ＝（ＶＴ１＋ＶＴ２）／２として求め、故障検出に用いる。すなわち、磁歪式トルクセンサ１４４が正常であれば、故障検出信号ＶＴＦの値は一定値２．５［Ｖ］であるため、故障検出信号ＶＴＦの電圧が閾値範囲（２．５±Δ［Ｖ］）を超えた場合には故障と判定することができる。
【００７４】
図１１に磁気特性変化検出部として機能するトルク検出回路１５０の回路構成を示す。検出回路１５０は、例えば＋１２［Ｖ］の電圧Ｖｂを第１及び第２磁束検出部１２１、１２２の印加電圧Ｖｃに降圧すると共に定電圧化する電源回路としてのレギュレータ１６２と、第１及び第２磁束検出部１２１、１２２の出力電圧ＶH1、ＶH2をそれぞれ出力電圧ＶＴ１、ＶＴ２に変換する増幅回路１６４、１６６と、出力電圧ＶＴ１、ＶＴ２を操舵トルク信号ＶＴ３に変換する差動増幅回路１６８とから構成される。なお、前記印加電圧Ｖｃは、電源電圧Ｖｃｃとして増幅回路１６４、１６６、及び差動増幅回路１６８に印加される。
【００７５】
レギュレータ１６２により電源回路が形成され、増幅回路１６４と差動増幅回路１６８とにより集積回路としての増幅回路１６５が形成される。
【００７６】
ここで、増幅回路１６４、１６６のリファレンス電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２は、出力電圧ＶＴ１、ＶＴ２のオフセット値を調整し、差動増幅回路１６８のリファレンス電圧Ｖｒｅｆ３は、操舵トルク信号ＶＴ３のオフセット値を調整する。
【００７７】
図１２は、磁束発生部１０１の磁力を、第１ヨーク１１１を介して、図８の特性１８１を有する磁歪膜ｍｆに作用させたときの入力トルク（操舵トルク）Ｔｓ［Ｎｍ］に対する第１ヨーク１１１の磁束密度Ｂ［ｍＴ］の変化を示す特性のうち、磁歪式トルクセンサ１４４としての実使用範囲（±１５［Ｎｍ］）の特性１９１を示している。
【００７８】
例えば、磁歪膜ｍｆでは右トルクの入力トルクＴｓ［Ｎｍ］が増大するに従い磁束密度Ｂ［ｍＴ］が増大する。
【００７９】
図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃは、この際の、第１ヨーク１１１の磁束密度変化の模式図を示している。
【００８０】
図１２の特性１９１上の点ａでは透磁率μが小さいため、図１３Ａに示すように、第１ヨーク１１１の磁束密度Ｂ［ｍＴ］が小さく（１９５［ｍＴ］）、点ｃでは透磁率μが大きいため、図１３Ｃに示すように、第１ヨーク１１１の磁束密度Ｂ［ｍＴ］が大きく（２０５［ｍＴ］）なっている。入力トルクＴｓ［Ｎｍ］が０値の点ｂでは、図１３Ｂに示すように、その中間（２００［ｍＴ］）の磁束密度Ｂ［ｍＴ］になっている。
【００８１】
つまり、界磁部２１１に流れる磁束φの磁束密度Ｂ[ｍＴ]が、軸材２３に印加される入力トルクＴｓ［Ｎｍ］に応じて変化する磁歪膜ｍｆの透磁率μの変化に基づき変化することになる。図１３Ａ〜図１３Ｃを参照して説明すれば、界磁部２１１の磁束発生部１０１のＮ極から発生する磁束φ自体が、透磁率μが増加乃至減少する磁歪膜ｍｆにより増加乃至減少され、増加乃至減少された磁束φが、界磁部２１１の磁束発生部１０１のＳ極まで戻る、その磁路中に第１磁束検出部１２１が設けられる。
【００８２】
図１４に示すように、樹脂モールド１７３、１７４によって、上下二つの組立体（検出部アセンブリ）１７１、１７２が形成されている。
【００８３】
組立体１７１は、第１磁束発生部１０１と第１ヨーク１１１と磁束検出部１２１とレギュレータ１６２と増幅回路１６５とが樹脂モールド１７３によって一体的に実装され、組立体１７２は、第２磁束発生部１０２と第２ヨーク１１２と磁束検出部１２２と増幅回路１６６とが樹脂モールド１７４によって一体的に実装された構成とされている。
【００８４】
レギュレータ１６２には、ＥＣＵ１１０からコネクタ１７０（図２参照）を介して電圧Ｖｂの電源が供給され、レギュレータ１６２によって安定化された電源電圧Ｖｃｃの電源が第１及び第２磁束検出部１２１、１２２、増幅回路１６４、１６６及び差動増幅回路１６８に供給される。
【００８５】
増幅回路１６４、１６６及び差動増幅回路１６８は、出力電圧ＶH1、ＶH2を増幅して、出力電圧ＶＴ１、ＶＴ２及び操舵トルク信号ＶＴ３を出力する。
【００８６】
よって、磁気特性変化検出部として機能する検出回路１５０は、軸材２３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、ここでは比透磁率μｓの変化を、第１及び第２磁束検出部１２１、１２２の両検出出力電圧ＶH1、ＶH2に基づき操舵トルク信号ＶＴ３として検出する。
【００８７】
検出乃至出力された出力電圧ＶＴ１、ＶＴ２及びトルク信号ＶＴ３は、コネクタ（不図示）を介してＥＣＵ１１０に伝達される。
【００８８】
図１に示す電動パワーステアリング装置１０の動作について説明すると、前記操舵トルク信号ＶＴ３、車速センサ１３からの車速信号Ｖｓ及び電動機３６の回転数センサからのモータ回転信号に基づいて、ＥＣＵ１１０にて電動機３６に動力を発生させるための目標モータ電流を演算する。
【００８９】
ＥＣＵ１１０は、この目標電流を電動機３６に通電するための駆動電圧（ＰＷＭ信号）に変換して発生すると共に、実際に電動機３６に通電された実モータ電流を電流センサにて検出し、前記目標モータ電流と実モータ電流が一致するようにＰＩ（比例積分）制御を行って電動機３６に動力を発生させる。
【００９０】
このモータの動力を、図２に示すように、ピニオン軸２２に設けた減速機構４２（ウォームギヤ３８とウォームホィールギヤ４０）を介して、ステアリング軸１４（メインステアリングシャフト１６）に伝達させて運転者の操舵負荷を軽減している。
【００９１】
さらにＥＣＵ１１０は、上述したように、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。すなわち、出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２の和（ＶＴ１＋ＶＴ２）の値が所定範囲（図２２例では、＋２．５Ｖ±ΔＶの範囲）に有るか否かを監視し、所定範囲を外れた際には故障と判定している。
【００９２】
以上のように上述した第１実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４は、軸材２３に、捻り方向が単方向の磁気異方性ｍａを有する磁歪膜ｍｆが設けている。また、第１界磁部２１１は、磁歪膜ｍｆに対し軸材２３の円周に沿う一方向に磁束φを発生させている（図６Ａ参照）。第１磁束検出部１２１は、磁歪膜ｍｆに前記一方向に流れる磁束φを検出する。一方、第２界磁部２１２は、磁歪膜ｍｆに対し軸材２３の円周に沿う反対方向に磁束φを発生させている（図６Ｂ参照）。第２磁束検出部１２２は、磁歪膜ｍｆに前記反対方向に流れる磁束φを検出する。磁気特性変化検出部としての検出回路１５０は、軸材２３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、ここでは比透磁率μｓの変化を、第１及び第２磁束検出部１２１、１２２の両検出出力電圧ＶH1、ＶH2に基づき操舵トルク信号ＶＴ３として検出する。
【００９３】
この実施形態によれば、磁歪膜ｍｆの異方性ｍａが、単方向でよくなるので生産性が向上すると共に、特開２００６−６４４４５号公報のように、４つの検出コイルを用いることなくトルクを検出することができるので、磁歪式トルクセンサ１４４を小型・軽量にすることができる。
【００９４】
ここで、第１界磁部２１１は、前記一方向に磁束φを発生させる第１永久磁石としての磁束発生部１０１と、該磁束発生部１０１に磁気的に結合される第１ヨーク１１１（１１１ａ、１１１ｂ）と、により構成され、第２界磁部２１２は、前記一方向の反対方向の磁束φを発生させる第２永久磁石としての磁束発生部１０２と、該磁束発生部１０２に磁気的に結合される第２ヨーク１１２（１１２ａ、１１２ｂ）とにより構成されるようにしたので、界磁巻線や界磁電源が不要となりセンサを小さく構成できると共に、組立性が向上する。また第１及び第２ヨーク１１１、１１２を有するので第１及び第２磁束発生部１０１、１０２で発生した磁束φを磁歪膜ｍｆに漏れなく通すことができ、出力感度を向上させることができる。
【００９５】
磁歪式トルクセンサ１４４においては、図６Ａ、図６Ｂに示すように、磁歪膜ｍｆへ磁束φを通すための第１〜第４ティース４０１〜４０４が複数（４個）設けてある。これにより、第１及び第２ヨーク１１１、１１２と軸材２３の軸心Ｏ（回転中心）がずれた場合であっても、磁束φが平均化されるため出力電圧ＶＴ１、ＶＴ２及び操舵トルク信号ＶＴ３の変化を抑制することができる。より具体的に説明すると、磁歪膜ｍｆと第１〜第４ティース４０１〜４０４のギヤップ（空隙）の一方が狭まった場合、他方が広くなるので第１及び第２ヨーク１１１、１１２の磁束密度Ｂは平均化され変化しない。結果として、検出精度（検出感度）を高くでき、外部からの電磁ノイズに対するロバスト性（タフネス性）を向上させることができる。
【００９６】
［第２実施例］
次に、この発明の第２実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ａについて説明する。
【００９７】
図１５は、第２実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ａの一部の斜視構成を示している。
【００９８】
図１６は、図１５に示した第２実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ａの第１界磁部２１１Ａの模式的横断面説明図である。
【００９９】
この第２実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ａは、ヨーク１１１ａ（１１２ａ）に流れる磁束φの磁路を等しく分岐し、それぞれの磁束φの流れの中にホール素子等の磁束検出部１２１ａ、１２１ｂ（１２２ａ、１２２ｂ）を同方向（同極性）に設けた構成としている。磁束発生部１０１とヨーク１１１ａにより第１界磁部２１１Ａが形成され、磁束発生部１０２とヨーク１１２ａにより第２界磁部２１２Ａが形成される。これにより、磁束検出部１２１ａ、１２１ｂには正方向（磁束φの増加に伴い出力電圧ＶHの大きさが正方向に増加する方向）から磁束φが流入し、磁束検出部１２２ａ、１２２ｂには負方向（磁束φの増加に伴い出力電圧ＶHの大きさが負方向に増加する方向）から磁束φが流入する。
【０１００】
なお、磁路は、２つ以上さらに多数分岐し、各分岐路に磁束検出部を設ける構成にすることもできる。なお、磁歪膜ｍｆは、図１５に示すように、２つの磁歪膜ｍｆ１、ｍｆ２を設け、双方に同方向の異方性ｍａ１、ｍａ２を設ける構成としているが、一つの磁歪膜ｍｆに捩り方向が単一の磁気異方性ｍａを設け、この一つの磁歪膜ｍｆに対して第１界磁部２１１Ａ及び第２界磁部２１２Ａを形成してもよい。
【０１０１】
図１７は、第２実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ａに適用されるトルク検出回路１５０Ａを示す。
【０１０２】
トルク検出回路１５０Ａは、ヨーク１１１ａに設けられた磁束検出部１２１ａ、１２１ｂ（第１及び第２磁束検出部。入力トルクに対する出力電圧ＶH1、ＶH2の特性が等しい。）の図１８Ａ、図１８Ｂに示す出力電圧Ｖ１、Ｖ２を、加算回路１６７Ａを介して加算して図１９に示す出力電圧ＶＴ１を得ると共に、ヨーク１１２ａに設けられた磁束検出部１２２ａ、１２２ｂ（第３及び第４磁束検出部。入力トルクに対する出力電圧ＶH3、ＶH4の特性が等しい。）の図１８Ｃ、図１８Ｄに示す出力電圧Ｖ３、Ｖ４を、加算回路１６７Ｂを介して加算して図１９に示す出力電圧ＶＴ２を得る。
【０１０３】
さらに出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２の差電圧を差動増幅回路１６８により得、図１９に示すトルク電圧である操舵トルク信号ＶＴ３｛ＶＴ３＝Ｇ（ＶＴ１−ＶＴ２）＋２．５；Ｇは、ゲインであり定数｝を算出する。
【０１０４】
出力電圧Ｖ１〜Ｖ４、ＶＴ１、ＶＴ２及び操舵トルク信号ＶＴ３は、ＥＣＵ１１０に入力される。
【０１０５】
この第２実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ａを用いて、ＥＣＵ１１０は、上述したように、前記操舵トルク信号ＶＴ３、車速センサ１３からの車速信号Ｖｓ及び電動機３６の回転数センサからのモータ回転信号に基づいて、ＥＣＵ１１０にて電動機３６に動力を発生させるための目標電流を演算する。この目標電流を電動機３６に通電するための駆動電圧（ＰＷＭ信号）に変換して発生すると共に、実際に電動機３６に通電された実電流を電流センサにて検出し、前記目標電流と実電流が一致するようにＰＩ（比例積分）制御を行って電動機３６に動力を発生させる。
【０１０６】
このモータの動力を、図２に示すように、ピニオン軸２２に設けた減速機構４２（ウォームギヤ３８とウォームホィールギヤ４０）を介して、ステアリング軸１４（メインステアリングシャフト１６）に伝達させて運転者の操舵負荷を軽減している。
【０１０７】
さらにＥＣＵ１１０は、上述したように、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。すなわち、出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２の和の平均（ＶＴ１＋ＶＴ２）／２の値が所定範囲（図１９例では、＋２．５Ｖ±ΔＶの範囲）に有るか否かを監視し、所定範囲を外れた際には故障と判定している。
【０１０８】
この場合、さらに、出力電圧Ｖ１〜Ｖ４の信号値をＥＣＵ１１０にて常時監視し、少なくとも一つの信号値が残りの信号値と異なる場合には、この異なる信号値を故障と判断し、故障検出信号ＶＴＦを発生して図示しない警告ランプ（ワーニングランプ）を点灯すると共に、残りの信号にて電動パワーステアリング装置１０の制御（ＥＰＳ制御）を続行する。
【０１０９】
例えば、出力電圧Ｖ１の信号値を故障と判定した際には、出力電圧Ｖ３と出力電圧Ｖ４により得られる出力電圧ＶＴ２を用いてＥＰＳ制御を行う。このとき、アシスト率は故障検出前より低下させ、故障状態であることを運転者に知らせる。出力電圧Ｖ１の信号値を故障と判定した際には、出力電圧Ｖ２、若しくは出力電圧Ｖ３、若しくは出力電圧Ｖ４を用いてＥＰＳ制御を続行してもよい。この際には出力電圧ＶＴ１、ＶＴ２を、ＥＣＵ１１０の図示しないＣＰＵは、取り込む必要はない。
【０１１０】
［第２実施例の第１変形例］
図２０は、第２実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ａ（図１５参照）に適用される第１変形例のトルク検出回路１５０Ｂを示す。
【０１１１】
トルク検出回路１５０Ｂは、ヨーク１１１ａに設けられた磁束検出部１２１ａとヨーク１１２ａに設けられた磁束検出部１２２ａ（入力トルクに対する出力電圧ＶH1、ＶH3の特性が逆特性。）の図１８Ａ、図１８Ｃに示す出力電圧Ｖ１、Ｖ３を差動増幅回路１６９Ａを介して図１９に示す出力電圧ＶＴ１を得ると共に、ヨーク１１１ａに設けられた磁束検出部１２１ｂとヨーク１１２ａに設けられた磁束検出部１２２ｂ（入力トルクに対する出力電圧ＶH2、ＶH4の特性が逆特性。）の図１８Ｂ、図１８Ｄに示す出力電圧Ｖ２、Ｖ４を、差動増幅回路１６９Ｂを介して図１９に示す出力電圧ＶＴ２を得る。
【０１１２】
さらに出力電圧ＶＴ１と出力電圧ＶＴ２の差電圧を差動増幅回路１６８により得、図１９に示すトルク電圧である操舵トルク信号ＶＴ３｛ＶＴ３＝Ｇ（ＶＴ１−ＶＴ２）＋２．５；Ｇは、ゲインであり定数｝を算出する。
【０１１３】
この第１変形例のトルク検出回路１５０Ｂでは、出力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ３の差により出力電圧ＶＴ１を得ると共に、出力電圧Ｖ２と出力電圧Ｖ４の差により出力電圧ＶＴ２を得ているので、出力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ３の温度特性が補正されると共に、出力電圧Ｖ２と出力電圧Ｖ４の温度特性が補正されるので、故障検出信号ＶＴＦ｛ＶＴＦ＝（ＶＴ１＋ＶＴ２）/２｝の温度特性が向上し、故障検出精度が向上する。
【０１１４】
各信号を用いた作用は第２実施例と同様であるので省略する。
【０１１５】
［第２実施例の第２変形例］
図２１は、第２実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ａ（図１５参照）に適用される第２変形例のトルク検出回路１５０Ｃを示す。
【０１１６】
トルク検出回路１５０Ｃは、出力電圧Ｖ１〜Ｖ４を直接ＥＣＵ１１０に入力する。このトルク検出回路１５０Ｃでは、図１７に示したトルク検出回路１５０Ａ中、加算回路１６７Ａ、１６７Ｂ及び差動増幅回路１６８を省略しＥＣＵ１１０内で出力電圧ＶＴ１、ＶＴ２及び操舵トルク信号ＶＴ３を求める処理を行う。
【０１１７】
各信号を用いた作用は第２実施例と同様であるので簡単に説明すると、通常は、操舵トルク信号ＶＴ３をＶＴ３＝Ｇ（Ｖ１−Ｖ３）＋２．５で算出し、上述したように、ＥＰＳ制御を実施する。
【０１１８】
出力電圧Ｖ１〜Ｖ４を監視し、いずれか１つが故障したことを検出した場合には、故障していない残りの３つの出力電圧から選択した信号でＥＰＳ制御を実行する。たとえば、出力電圧Ｖ１の故障を検出した場合には、ＶＴ３´＝Ｇ（Ｖ２−Ｖ４）＋２．５で制御する。
【０１１９】
出力電圧Ｖ１〜Ｖ４を監視し、いずれか２つが故障したことを検出した場合には、故障していない残りの２つの出力電圧でＥＰＳ制御を実行する。
【０１２０】
［第３実施例］
次に、この発明の第３実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ｂについて説明する。
【０１２１】
図２２は、第３実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ｂの一部の斜視構成を示している。
【０１２２】
図２３は、図２２に示した第３実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ｂの模式的縦断面説明図である。
【０１２３】
この磁歪式トルクセンサ１４４Ｂでは、円筒状の磁歪膜ｍｆに捻り方向が単方向の異方性ｍａを付与し、この磁歪膜ｍｆを円周方向で囲むように、内周面側がＮ極、外周面側がＳ極に着磁されたリング状の永久磁石である磁束発生部２０１を設けている。
【０１２４】
さらに、磁歪膜ｍｆに、それぞれ円筒部を備える第１ヨーク５１１ａと第２ヨーク５１１ｂ及び第３ヨーク５１１ｃを設け（外嵌し）、これら第１〜第３ヨーク５１１ａ〜５１１ｃを介して磁歪膜ｍｆに流れる磁束φの方向が上下方向（磁歪膜ｍｆの軸材２３の軸方向）に互いに逆方向になるように第１〜第３ヨーク５１１ａ〜５１１ｃを配置している。
【０１２５】
第２ヨーク５１１ｂは、磁束発生部２０１の円筒外周を覆う円筒状に形成され、円筒外周の一部の上下方向にチャネル状（コの字状）に屈曲した磁路としてのアーム部５１１ｂａ、５１１ｂｂが設けられている。
【０１２６】
第１及び第３ヨーク５１１ａ、５１１ｃは、第２ヨーク５１１ｂに対して上下に対称に設けられ、円筒部とフランジ部とから構成され、上側フランジ部の外周の一部に下方向にチャネル状（コの字状）に屈曲した前記アーム部５１１ｂａを構成するアーム部５１１ａａが設けられる一方、下側フランジ部の外周の一部に上方向にチャネル状（コの字状）に屈曲した前記アーム部５１１ｂｂに対向配置されたアーム部５１１ｃａが設けられている。
【０１２７】
この場合、界磁部２１３は、磁束発生部２０１と第１〜第３ヨーク５１１ａ〜５１１ｃにより構成される。ここで、理解の便宜のために、図４に示す第１実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４と対比して説明すると、界磁部２１３は、第１界磁部２１１及び第２界磁部２１２に対応し、磁束発生部２０１は、磁束発生部１０１、１０２に対応し、第１及び第２ヨーク５１１ａ、５１１ｂは、第１ヨーク１１１に対応し、第２及び第３ヨーク５１１ｂ、５１１ｃは、第２ヨーク１１２に対応していることが分かる。
【０１２８】
図２２、図２３において、第１ヨーク５１１ａのアーム部５１１ａａと第２ヨーク５１１ｂのアーム部５１１ｂａの間、及び第２ヨーク５１１ｂのアーム部５１１ｂｂと第３ヨーク５１１ｃのアーム部５１１ｃａとの間の磁路中に同方向に第１及び第２磁束検出部１２１、１２２が設けられている。
【０１２９】
図２２、図２３に示すように、磁束発生部２０１のＮ極の内周全周から発生した磁束φは、一方では、磁歪膜ｍｆの全周を上方向に流れ第１ヨーク５１１ａの円筒部の全周を経てフランジ部に入りさらにアーム部５１１ａａを通じて第１磁束検出部１２１に正側から流入する。同時に、磁束発生部２０１のＮ極の内周全周から発生した磁束φは、他方では、磁歪膜ｍｆの全周を下方向に流れ第３ヨーク５１１ｃの円筒部の全周を経てフランジ部に入りさらにアーム部５１１ｃａを通じて第２磁束検出部１２２に負側から流入する。
【０１３０】
そして軸材２３に作用される捩りトルクＴに応じて変化する磁歪膜ｍｆの透磁率μの変化を検出する。磁歪膜ｍｆの透磁率μの変化は磁束φの密度、すなわち磁束密度Ｂを変化させるので、この際の磁束φの変化を第１ヨーク５１１ａ（のアーム部５１１ａａ）と第２ヨーク５１１ｂ（のアーム部５１１ｂａ）に挟まれた第１磁束検出部１２１及び第２ヨーク５１１ｂ（のアーム部５１１ｂｂ）と第３ヨーク５１１ｃ（のアーム部５１１ｃａ）に挟まれた第２磁束検出部１２２にて検出する。
【０１３１】
すなわち、第１磁束検出部１２１と第２磁束検出部１２２の捩りトルクＴに対する電圧出力ＶH1、ＶH2は、図１０Ｃに示したのと同様に逆の極性である。
【０１３２】
よって、得られた２つの電圧出力ＶH1とＶH2により、図１１のトルク検出回路１５０を用いて電圧出力ＶＴ１、ＶＴ２及びトルク信号ＶＴ３（図１０Ｄ及び図１９参照）を求め電動パワーステアリング装置１０（１０Ａ）の駆動制御及び故障診断を行うことができる。
【０１３３】
この第３実施例によれば、磁束φが磁歪膜ｍｆの全体（円筒の外周面全体）に渡って流れるので、捩りトルクＴの変化による磁束φの変化量を大きくすることができ、感度を高くすることができる。さらに軸材２３と第１及び第３ヨーク５１１ａ、５１１ｃ並びに磁束発生部２０１の中心ずれによる出力変化を抑制することができる。
【０１３４】
［第４実施例］
次に、この発明の第４実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ｃについて説明する。
【０１３５】
図２４は、第４実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４Ｃの一部の斜視構成を示している。
【０１３６】
この磁歪式トルクセンサ１４４Ｃでは、円筒状の磁歪膜ｍｆに単方向の異方性ｍａを付与し、この磁歪膜ｍｆの下端側円周を囲むように、内面側がＮ極、外面側がＳ極に着磁されたリング状の磁束発生部２０１を設けている。
【０１３７】
この場合、界磁部２１４は、磁束発生部２０１と第１及び第２ヨーク５１１ａ、５１１ｂにより構成される。
【０１３８】
さらに、磁歪膜ｍｆに流れる磁束φの方向（上方向）と、第１ヨーク５１１ａを構成するアーム部５１１ｅを介し、第１及び第２磁束検出部１２１、１２２を通じて第２ヨーク５１１ｂを構成するアーム部５１１ｆに流れる磁束φの方向（下方向）が上下方向に逆方向になるようにしている。
【０１３９】
そのため、第１及び第２ヨーク５１１ａ、５１１ｂのアーム部５１１ｅ、５１１ｆ間の磁路中に逆極性で第１及び第２磁束検出部１２１、１２２が設けられている。この場合、第１磁束検出部１２１には正側から磁束φが流入し、第２磁束検出部１２２には負側から磁束φが流入する。
【０１４０】
この状態において、軸材２３に作用される捩りトルクＴに応じて変化する磁歪膜ｍｆの透磁率μの変化を検出する。磁歪膜ｍｆの透磁率μの変化は磁束φを変化させるので、この際の磁束φの変化を第１及び第２ヨーク５１１ａ、５１１ｂにそれぞれ挟まれた第１及び第２磁束検出部１２１、１２２にて検出する。
【０１４１】
すなわち、第１磁束検出部１２１と第２磁束検出部１２２の捩りトルクＴに対する電圧出力ＶH1、ＶH2は図１０Ｃと同様に互いに逆の極性である。
【０１４２】
よって、得られた２つの電圧出力ＶH1、ＶH2により、図１１のトルク検出回路１５０を用いて電圧出力ＶＴ１、ＶＴ２及びトルク信号ＶＴ３（図１０Ｄ及び図１９参照）を求め電動パワーステアリング装置１０（１０Ａ）の駆動制御及び故障診断を行うことができる。
【０１４３】
この第４実施例によれば、磁束φが磁歪膜ｍｆの全体に渡って流れるので、捩りトルクＴの変化による磁束φの変化量を大きくすることができ、感度を高くすることができる。さらに軸材２３の軸と第１及び第２ヨーク５１１ａ、５１１ｂの中心ずれによる出力変化を抑制することができる。さらにヨークの数を第３実施例に比較して３つから２つに減らすことができ、磁歪膜ｍｆの軸方向の長さも短くすることができるので磁歪式トルクセンサ１４４Ｃを小型に構成することができる。
【０１４４】
［バイアス磁界の印加について］
上述した第１〜第４実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４（１４４Ａ〜１４４Ｃ）では、磁歪膜ｍｆにバイアス磁界Ｈｂｉａｓをかけ透磁率μが安定な領域で磁歪式トルクセンサ１４４（１４４Ａ〜１４４Ｃ）を使用している。
【０１４５】
この場合、図２５のＢ−Ｈカーブに示すように、磁歪膜ｍｆの保持力Ｈｃ以上の、磁歪膜ｍｆの磁束密度Ｂを飽和させるのに十分なバイアス磁界Ｈｂｉａｓを磁歪膜ｍｆにかければよい。なお、図２５では、残留磁束密度Ｂｒ及び飽和磁束密度Ｂｓも記入している。
【０１４６】
磁歪膜ｍｆにバイアス磁界Ｈｂｉａｓをかける場合には、軸材２３自体を磁化させておく、軸材２３に永久磁石を配置する、又は軸材２３にコイルを巻き付けて前記コイルに直流電源を接続する等、種々の構成を採り得ることができる。
【０１４７】
磁歪膜ｍｆにバイアス磁界Ｈｂｉａｓをかけておくことにより、出力電圧Ｖ１〜Ｖ４及び操舵トルク信号ＶＴ３の各電圧が安定化する。
【０１４８】
上記した第１〜第４実施例に係る磁歪式トルクセンサ１４４（１４４Ａ〜１４４Ｃ）では、界磁部２１１〜２１４を構成する磁束発生部１０１、１０２、２０１としての永久磁石によりバイアス磁界Ｈｂｉａｓをかけている。
【０１４９】
外部磁界等の影響で、Ｂ−Ｈカーブの傾きが大きい図２５中の原点から立ち上がる領域で、磁界の強さＨが変化すると、磁束密度Ｂが安定しなくなり、結果として第１及び第２磁束検出部１２１、１２２で検出される検出値としての出力電圧ＶＴ１〜ＶＴ４が安定しない。よって、Ｂ−Ｈカーブの傾斜が少ない保持力Ｈｃ以上の領域を使用する。このため、磁歪膜ｍｆに保持力Ｈｃ以上のバイアス磁界Ｈｂｉａｓを予めかけておく。
【０１５０】
図２６は、図２５のＢ−Ｈカーブにおいて磁界の強さＨ［Ａ／ｍ］がゼロ値から増大していく際の初透磁率曲線の傾き（微分値）により、磁界の強さＨに対する透磁率μの変化を求めたものである。図２５、図２６に示すバイアス磁界Ｈｂｉａｓ以上のバイアス磁界を磁歪膜ｍｆにかけることにより、外部磁界等の影響で磁界の強さＨが変化したとしても、透磁率μ［Ｈ／ｍ］が大きく変化することが無い、透磁率μ［Ｈ／ｍ］の安定した領域で磁歪式トルクセンサ１４４、１４４Ａ、１４４Ｂ、１４４Ｃを使用することができる。
【０１５１】
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、例えば、磁束発生部１０１、１０２、２０１から第１及び第２磁束検出部１２１、１２２に向かって磁歪膜ｍｆに磁束φを通す方向は、軸材２３に設けた円筒状の磁歪膜ｍｆの円周方向又は軸方向の任意方向に選択する等、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】
【０１５２】
１０、１０Ａ…電動パワーステアリング装置
１２…操向ハンドル                    １４…ステアリング軸
１６…メインステアリングシャフト      ２２…ピニオン軸
２３…軸材                            ３６…電動機（モータ）
４４、１４４、１４４Ａ、１４４Ｂ、１４４Ｃ…磁歪式トルクセンサ
１０１、１０２、２０１…磁束発生部    １１１…第１ヨーク
１１２…第２ヨーク                    １２１…第１磁束検出部
１２２…第２磁束検出部                １５０…検出回路
２１１…第１界磁部                    ２１２…第２界磁部
２１３、２１４…界磁部
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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