(57)【要約】【課題】  ステアリング装置への応用に好適なトルクセンサを提供する。【解決手段】  入力軸と出力軸にはそれぞれ円筒形に形成されて磁極が外周面に現れた入力軸円筒磁石１及び出力軸円筒磁石１が取り付けられ、それぞれの円筒磁石１，１の外周にはこの円筒磁石を非接触で囲み回転しない入力軸用磁気ヨーク２及び出力軸用磁気ヨーク２がそれぞれ設けられ、それぞれの磁気ヨーク２，２には各々周方向の２箇所にギャップ３，３が形成され、各ギャップ３にはギャップ間に生じる磁界の大きさを検出する磁気センサ４ａ，４ｂ，４ａ，４ｂが挿入され、これら４つの磁気センサの出力信号の組み合わせからトルク差を求めるトルク演算回路が設けられた。【選択図】  図１
2006284238.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転される入力軸とその入力軸のトルクを受けて回転される出力軸とが弾性部材を介して連結され、上記入力軸と上記出力軸間のトルク差により上記弾性部材が変形して上記入力軸と上記出力軸の回転角度が相対的に変化する構造における上記トルク差を検出するトルクセンサにおいて、上記入力軸と上記出力軸にはそれぞれ円筒形に形成されて磁極が外周面に現れた入力軸円筒磁石及び出力軸円筒磁石が取り付けられ、それぞれの円筒磁石の外周にはこの円筒磁石を非接触で囲み回転しない入力軸用磁気ヨーク及び出力軸用磁気ヨークがそれぞれ設けられ、それぞれの磁気ヨークには各々周方向の２箇所にギャップが形成され、各ギャップにはギャップ間に生じる磁界の大きさを検出する磁気センサ（入力軸用Ａ相磁気センサ、入力軸用Ｂ相磁気センサ、出力軸用Ａ相磁気センサ、出力軸用Ｂ相磁気センサという）が挿入され、これら４つの磁気センサの出力信号の組み合わせから上記トルク差を求めるトルク演算回路が設けられたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
上記入力軸用Ａ相磁気センサに対して上記入力軸用Ｂ相磁気センサが円周角９０度をなす位置に配置され、上記出力軸用Ａ相磁気センサに対して上記出力軸用Ｂ相磁気センサが円周角９０度をなす位置に配置されたことを特徴とする請求項１記載のトルクセンサ。
【請求項３】
上記トルク演算回路は、上記入力軸用Ａ相磁気センサと上記入力軸用Ｂ相磁気センサの出力信号に基づいて上記入力軸用磁気ヨークに対する上記入力軸円筒磁石の回転角度を求め、上記出力軸用Ａ相磁気センサと上記出力軸用Ｂ相磁気センサの出力信号に基づいて上記出力軸用磁気ヨークに対する上記出力軸円筒磁石の回転角度を求め、両円筒磁石の回転角度の差と上記弾性部材の弾性率とから上記トルク差を求めることを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。
【請求項４】
上記トルク演算回路は、上記入力軸用Ａ相磁気センサと上記出力軸用Ａ相磁気センサの出力信号差（Ａ相差という）を求め、上記入力軸用Ｂ相磁気センサと上記出力軸用Ｂ相磁気センサの出力信号差（Ｂ相差という）を求め、これら求めたＡ相差及びＢ相差のうちいずれかひとつより上記入力軸円筒磁石と上記出力軸円筒磁石の回転角度の差を求め、この回転角度差と上記弾性部材の弾性率とから上記トルク差を求めることを特徴とする請求項１又は２記載のトルクセンサ。
【請求項５】
上記トルク演算回路は、あらかじめ上記トルク差が一定になるように制御して上記入力軸を回転させたときの回転角度対Ａ相差及びＢ相差の波形を記憶しており、そのＡ相差波形のゼロクロス領域ではＢ相差を用いて上記トルク差を求め、Ｂ相差波形のゼロクロス領域ではＡ相差を用いて上記トルク差を求めることを特徴とする請求項４記載のトルクセンサ。
【請求項６】
上記入力軸用磁気ヨーク及び上記出力軸用磁気ヨークには、さらに２箇所にギャップ（スイッチ用ギャップという）が形成され、これら４箇所のスイッチ用ギャップにはギャップ間に生じる磁界の大きさに応じてオンオフするスイッチ（入力軸用Ｃ相スイッチ、入力軸用Ｄ相スイッチ、出力軸用Ｃ相スイッチ、出力軸用Ｄ相スイッチという）が挿入され、入力軸用の両スイッチの出力信号がオンオフした履歴に基づいて上記入力軸の回転回数を求め、出力軸用の両スイッチの出力信号がオンオフした履歴に基づいて上記出力軸の回転回数を求める回転回数演算回路が設けられたことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載のトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルク検出が可能な、あるいはトルク検出に加えて回転角度検出が可能なトルクセンサに係り、ステアリング装置への応用に好適なトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両のステアリング装置あるいはこれに電動式や油圧式の補助動力を付加したパワーステアリング装置において、ステアリングシャフトに生じているトルクを検出することと操舵角を検出することは、いずれも重要なことである。
【０００３】
ステアリング装置は、ステアリングシャフト入力軸（以下、単に入力軸という）とステアリングシャフト出力軸（以下、単に出力軸という）とが弾性部材であるトーションバーを介して連結され、これら入力軸と出力軸間のトルク差によりトーションバーが捩れて入力軸と出力軸の回転角度が相対的に変化する構造を有する。この入力軸と出力軸間のトルク差をステアリングシャフトに生じているトルクと言い、このトルクをトルクセンサで検出する。
【０００４】
特許文献１に示されているトルクセンサにおいては、図１０に示されるように、トーションバー１０１には軸方向に並んだ互いに径の等しい３つの検出リング１０２，１０３，１０４が固定されている。これら検出リング１０２，１０３，１０４はいずれも鉄製であり、鉄製ケースとも呼ばれる。
【０００５】
第一検出リング１０２は出力軸１０５に近い位置に、第二検出リング１０３は中央に、第三検出リング１０４は入力軸１０６に近い位置に配置されている。第一検出リング１０２には、入力軸側端に軸方向入力軸側に突き出た複数の突起１０７が周方向に所定のピッチで形成されている。突起１０７と突起１０７の間を谷と呼ぶことにする。第二検出リング１０３には、出力軸側端に軸方向出力軸側に突き出た複数の突起１０８が周方向に所定のピッチで形成されている。双方のリングの突起１０７，１０８は同一ピッチであるので、互いの１個の突起同士がずれなく対向しているとすると、他の突起同士も同じようにずれなく対向している。第三検出リング１０４の出力軸側端にも同様の突起１０９が形成されているが、第二検出リング１０３の入力軸側端には突起は形成されていない。
【０００６】
第一検出リング１０２と第二検出リング１０３との境界部（それぞれの突起がある部分）の外周を囲んで検出コイル１１０が設けられ、第二検出リング１０３と第三検出リング１０４との境界部の外周を囲んで補償コイル１１１が設けられている。
【０００７】
検出コイル１１０に電流を流すと、軸方向に磁界が発生するので、検出コイル１１０の入力軸側端から出た磁束は第二検出リング１０３から第一検出リング１０２を経由して検出コイル１１０の出力軸側端に戻るという磁気回路が形成される。このとき、第一検出リング１０２と第二検出リング１０３の突起１０７，１０８同士がずれなく対向していると、磁束がよく導かれるので、磁気回路の磁気抵抗が小さい。しかし、トーションバー１０１が捩れると、トーションバー１０１に固定されている第一検出リング１０２と第二検出リング１０３は、それぞれ異なった回転角度を持つことになり、突起１０７，１０８同士がずれてくる。このため、磁気回路の磁気抵抗が大きくなる。このような磁気抵抗の変化からトーションバー１０１の捩れ角を知り、入力軸１０５と出力軸１０６間のトルク差を知ることができる。
【０００８】
上記の磁気抵抗は、トルクセンサの構成部品の温度により変化してしまうので、補償コイル１１１の働きで温度変化による磁気抵抗変化を補償するようになっている。
【０００９】
一方、ステアリング装置に応用される回転角度センサとしては、特許文献２に記載されたものが知られている。この回転角度センサは、回転軸に取り付けたリング状の磁石と、その磁石の外周を囲む磁気ヨークと、その磁気ヨークに形成したギャップに挿入した磁気センサとからなり、ステアリング装置に応用する際には入力軸の外周に設けるものである。２つの磁気センサの出力信号を所定の方程式により代入すると回転軸の回転角度３６０度の範囲で直線的に変化する信号が得られ、この信号より３６０度の範囲の絶対回転角度が得られる。
【００１０】
【特許文献１】特開平５−１４９８０５号公報
【特許文献２】特開２００４−２７１４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述したトルクセンサは、当然のことながらトルクしか検出できず、車両のステアリング装置に適用して操舵力を検出できても操舵角は検出できない。
【００１２】
また、このトルクセンサに用いている鉄製ケース（検出リング）には、磁気抵抗に関していくつかの問題がある。つまり、磁気抵抗は、鉄製ケースの材料の特性（成分組成、組成％、加工度など）に影響を受けるので、材料管理に注意を払わねばならない。また、鉄製ケースは、加工後、材料特性が変化してしまうので、加工後熱処理をしなければならない。磁気抵抗は、鉄製ケースの寸法精度に影響を受けるので、高い加工精度が要求される。鉄製ケースは、本体と蓋に分かれている。本体と蓋ギャップは磁気抵抗に大きく影響するので、鉄製ケース組立時ギャップ管理が必要になる（加工精度が必要）。
【００１３】
また、このトルクセンサは、コイルにより磁界を発生させているため、コイル製造時のインダクタンスの微小な変化によって検出感度が大幅にずれてしまう。また、１つのコイルが起磁力を与える部分と検出を行う部分とを同時に兼ねているため、インダクタンスの変化による影響が非常に大きい。
【００１４】
こうした背景の中で、本出願人は、以下のようなセンサを実現することを目指した。
【００１５】
トルク（操舵力）だけでなく回転角度（操舵角）も検出できるセンサ。
【００１６】
多回転においても絶対操舵角が検出できるセンサ。
【００１７】
消費電力の少ないセンサ。
【００１８】
温度等の周囲環境に影響されにくいセンサ。
【００１９】
センサの特性が材料等に影響されにくいセンサ。
【００２０】
信頼性の高いトルクと回転角度が検出できるセンサ。
【００２１】
センサの出力系統が多重化されて安全性が高められたセンサ。
【００２２】
分解能が高いセンサ。
【００２３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ステアリング装置への応用に好適なトルクセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するために本発明は、回転される入力軸とその入力軸のトルクを受けて回転される出力軸とが弾性部材を介して連結され、上記入力軸と上記出力軸間のトルク差により上記弾性部材が変形して上記入力軸と上記出力軸の回転角度が相対的に変化する構造における上記トルク差を検出するトルクセンサにおいて、上記入力軸と上記出力軸にはそれぞれ円筒形に形成されて磁極が外周面に現れた入力軸円筒磁石及び出力軸円筒磁石が取り付けられ、それぞれの円筒磁石の外周にはこの円筒磁石を非接触で囲み回転しない入力軸用磁気ヨーク及び出力軸用磁気ヨークがそれぞれ設けられ、それぞれの磁気ヨークには各々周方向の２箇所にギャップが形成され、各ギャップにはギャップ間に生じる磁界の大きさを検出する磁気センサ（入力軸用Ａ相磁気センサ、入力軸用Ｂ相磁気センサ、出力軸用Ａ相磁気センサ、出力軸用Ｂ相磁気センサという）が挿入され、これら４つの磁気センサの出力信号の組み合わせから上記トルク差を求めるトルク演算回路が設けられたものである。
【００２５】
上記入力軸用Ａ相磁気センサに対して上記入力軸用Ｂ相磁気センサが円周角９０度をなす位置に配置され、上記出力軸用Ａ相磁気センサに対して上記出力軸用Ｂ相磁気センサが円周角９０度をなす位置に配置されてもよい。
【００２６】
上記トルク演算回路は、上記入力軸用Ａ相磁気センサと上記入力軸用Ｂ相磁気センサの出力信号に基づいて上記入力軸用磁気ヨークに対する上記入力軸円筒磁石の回転角度を求め、上記出力軸用Ａ相磁気センサと上記出力軸用Ｂ相磁気センサの出力信号に基づいて上記出力軸用磁気ヨークに対する上記出力軸円筒磁石の回転角度を求め、両円筒磁石の回転角度の差と上記弾性部材の弾性率とから上記トルク差を求めてもよい。
【００２７】
上記トルク演算回路は、上記入力軸用Ａ相磁気センサと上記出力軸用Ａ相磁気センサの出力信号差（Ａ相差という）を求め、上記入力軸用Ｂ相磁気センサと上記出力軸用Ｂ相磁気センサの出力信号差（Ｂ相差という）を求め、これら求めたＡ相差及びＢ相差のうちいずれかひとつより上記入力軸円筒磁石と上記出力軸円筒磁石の回転角度の差を求め、この回転角度差と上記弾性部材の弾性率とから上記トルク差を求めてもよい。
【００２８】
上記トルク演算回路は、あらかじめ上記トルク差が一定になるように制御して上記入力軸を回転させたときの回転角度対Ａ相差及びＢ相差の波形を記憶しており、そのＡ相差波形のゼロクロス領域ではＢ相差を用いて上記トルク差を求め、Ｂ相差波形のゼロクロス領域ではＡ相差を用いて上記トルク差を求めてもよい。
【００２９】
上記入力軸用磁気ヨーク及び上記出力軸用磁気ヨークには、さらに２箇所にギャップ（スイッチ用ギャップという）が形成され、これら４箇所のスイッチ用ギャップにはギャップ間に生じる磁界の大きさに応じてオンオフするスイッチ（入力軸用Ｃ相スイッチ、入力軸用Ｄ相スイッチ、出力軸用Ｃ相スイッチ、出力軸用Ｄ相スイッチという）が挿入され、入力軸用の両スイッチの出力信号がオンオフした履歴に基づいて上記入力軸の回転回数を求め、出力軸用の両スイッチの出力信号がオンオフした履歴に基づいて上記出力軸の回転回数を求める回転回数演算回路が設けられてもよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３１】
（１）トルクだけでなく回転角度も検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３３】
一般に、弾性体を捩るトルクＴは、Ｔ＝Ｋ・θ（Ｋは弾性率などの既知の定数、θは捩れ角）で表される。ステアリング装置の場合は、入力軸と出力軸とが弾性部材を介して連結された構造であるので、入力軸の絶対回転角度と出力軸の絶対回転角度とをそれぞれ回転角度センサで検出して両軸の回転角度差を捩れ角θに代入すれば弾性部材のトルクが求まる。
【００３４】
本発明の第１の実施形態によるトルクセンサでは、入力軸と出力軸にそれぞれ回転角度センサを設ける。２つの回転角度センサは同じ構造であるので、ここでは汎用の回転角度センサについて説明する。
【００３５】
図１に示されるように、本発明に用いる回転角度センサは、円筒形に形成されて磁極が外周面に現れた円筒磁石１を回転軸に取り付ける。図示のように円筒磁石１には径方向反対向きに磁極Ｎ，Ｓが現れる。円筒磁石１の外周にはこの円筒磁石１を非接触で囲み回転しない環状の磁気ヨーク２を配置する。磁気ヨーク２には２箇所以上のギャップ３を形成し、２箇所のギャップ３にギャップ間に生じる磁界の大きさを検出する磁気センサとして磁束密度を検出する磁性素子４をそれぞれ挿入し、これら磁性素子４が検出する磁束密度の組み合わせから円筒磁石１が磁気ヨーク２に対してなす回転角度を求める回転角度演算回路５を設ける。
【００３６】
円筒磁石１は３６０度の磁化周期を有するので、Ｎ極とその１８０度反対側にあるＳ極近傍では磁束密度が高く、Ｎ極及びＳ極から９０度のあたりでは磁束密度が低いという特性を有する。なお、円筒磁石１の磁化ベクトルを正弦波状ではなく三角波状にすると、回転角度変化に対し磁性素子４が検出する磁束密度の変化が回転角度変化の一次関数となることは特許文献２に記載されている。
【００３７】
この回転角度センサでは、磁気ヨーク２として円筒磁石１の周囲を４等分で分割するよう同形の４つの扇形磁気ヨーク２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを設けて円周角９０度おきにギャップ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成し、円周角が９０度異なる２箇所のギャップ３ａ，３ｄに磁気センサとしてリニア型ホールセンサ４ａ，４ｂをそれぞれ設置してある。リニア型ホールセンサ４ａ，４ｂはそれぞれＡ／Ｄ変換器６に接続され、出力信号がデジタル化されて回転角度演算回路５に入力されるようになっている。なお、区別を明確にするためにリニア型ホールセンサ４ａをＡ相磁気センサと呼び、リニア型ホールセンサ４ｂをＢ相磁気センサと呼ぶ。出力信号についてもＡ相出力信号、Ｂ相出力信号という区別をする。
【００３８】
この回転角度センサは、１回転内の回転角度（絶対回転角度）を求めるものである。その動作を以下に説明する。
【００３９】
円筒磁石１のＮ極からほぼ径方向外方へ出た磁束は磁気ヨーク２に入り、磁気ヨーク２によって周方向に導かれてＳ極側へ回り、ギャップ３を介して他の磁気ヨーク２を経て、円筒磁石１のＳ極に向けてほぼ径方向内方へ出てＳ極に戻る。このとき、リニア型ホールセンサ４ａ，４ｂが互いに９０度ずれた位置にあるため、一方がＮ極又はＳ極の近傍に位置しているときには他方はＮ極及びＳ極から９０度のあたりに位置している。よって、例えば、一方のリニア型ホールセンサ４ａの出力信号が大きいとき、他方のリニア型ホールセンサ４ｂの出力信号は小さい。円筒磁石１が回転すると、磁極に対するリニア型ホールセンサ４ａ，４ｂの位置が変わってくるため、それぞれの出力信号が変化する。
【００４０】
リニア型ホールセンサ４ａ，４ｂはそれぞれ周方向に通る磁束を感知する。出力信号が最大あるいは最小となるＮ極，Ｓ極の角度はあらかじめ知ることができるので、この角度を基準にそれぞれの出力信号の変化から回転角度が求まる。
【００４１】
図２に示されるように、円筒磁石１の回転角度を横軸に取り、Ｎ極性を表す出力信号の大きさを上向きに、Ｓ極性を表す出力信号の大きさを下向きにした縦軸を取って、リニア型ホールセンサ４ａの出力信号（Ａ相出力信号）２１とリニア型ホールセンサ４ｂの出力信号（Ｂ相出力信号）２２とを描く。Ａ相出力信号２１は、Ｓ極性の最大値（この例では回転角度＝０度のとき）から０（９０度）へと直線的に変化し、さらにＮ極性の最大値（１８０度）まで直線的に変化し、そこから先は変化が逆になり、Ｓ極性の最大値（３６０度）まで直線的に変化する。これに対してＢ相出力信号２２は、０（０度）からＮ極性の最大値（９０度）まで直線的に変化したのち、Ｓ極性の最大値（２７０度）まで直線的に変化し、そこから０（３６０度）まで直線的に変化する。
【００４２】
このように、２つのリニア型ホールセンサ４ａ，４ｂの出力信号２１，２２は位相が９０度ずれて変化する。出力信号２１，２２の組み合わせを見ると、０度から３６０度直前まで同じパターンはない。つまり、Ａ相出力信号２１の値がαであるときに、Ｂ相出力信号２２の値がβである回転角度は３６０度のなかにひとつしか存在しない。よって、出力信号２１，２２の組み合わせから円筒磁石１の回転角度を求めることができる。
【００４３】
円筒磁石１が入力軸に取り付けられているとすると、これに対応する入力軸用の２つのリニア型ホールセンサ４ａ，４ｂの出力信号２１，２２の組み合わせから入力軸の回転角度を求めることができる。同様に、円筒磁石１が出力軸に取り付けられているとすると、これに対応する入力軸用の２つのリニア型ホールセンサ４ａ，４ｂの出力信号２１，２２の組み合わせから出力軸の回転角度を求めることができる。
【００４４】
回転角度演算回路５では、円筒磁石１が軸を中心に１回転する間における磁性素子４が検出する磁束密度（つまりリニア型ホールセンサ４ａ，４ｂの出力信号２１，２２）の組み合わせと回転角度との関係をあらかじめテーブル（図示せず）に記憶しておき、検出された磁束密度の組み合わせによりそのテーブルを参照して回転角度を求める。この結果、１回転内の回転角度、つまり絶対回転角度が出力される。
【００４５】
本発明に係るトルクセンサ（図示せず）は、図１の回転角度センサを入力軸と出力軸のそれぞれに取り付けて構成される。入力軸に円筒磁石１を取り付ける構造など、具体的な組み立て構造は設計事項に過ぎないので、ここでは説明しない。両回転角度センサの回転角度演算回路５が出力する絶対回転角度の差が弾性部材の捩れ角θであるから、トルク演算回路（図示せず）では、前述の式Ｔ＝Ｋ・θから弾性部材のトルクを求めることができる。
【００４６】
具体的には、入力軸には入力軸円筒磁石を取り付け、その外周に入力軸用磁気ヨークを設け、入力軸用磁気ヨークの２箇所のギャップに入力軸用Ａ相磁気センサと入力軸用Ｂ相磁気センサを挿入する。出力軸には出力軸円筒磁石を取り付け、その外周に出力軸用磁気ヨークを設け、出力軸用磁気ヨークの２箇所のギャップに出力軸用Ａ相磁気センサと出力軸用Ｂ相磁気センサを挿入する。これら４つの磁気センサの出力信号の組み合わせからトルク差を求めるトルク演算回路を設ける。
【００４７】
このトルクセンサは、トルクセンサであると同時に、２つの回転角度センサを使用しているので、回転角度センサ（あるいは操舵角センサ）としては二重系を構成している。もちろん、一方の回転角度センサは入力軸の回転角度を検出し、他方の回転角度センサは出力軸の回転角度を検出するので、両者は全く同じではないが、ステアリング装置の通常の使用において入力軸出力軸の両回転角度の差は極端に大きくないし、ハンドルを回し込むのを止めてしまえば出力軸は入力軸に追随して回転角度は一致してくる。つまり、入力軸の回転角度も出力軸の回転角度も操舵角と見なすことに問題はない。
【００４８】
例えば、入力軸回転角度センサのリニア型ホールセンサ４ａ，４ｂのうちいずれかまたは両方が故障してしまった場合、出力軸回転角度センサを用いて操舵角を求めることができる。逆に、出力軸回転角度センサのリニア型ホールセンサ４ａ，４ｂのうちいずれか又は両方が故障してしまった場合、入力軸回転角度センサを用いて操舵角を求めることができる。
【００４９】
また、このトルクセンサは、トルクセンサとしても二重系を構成している。例えば、入力軸回転角度センサのリニア型ホールセンサ４ａが故障してしまった場合、入力軸回転角度センサのリニア型ホールセンサ４ｂと出力軸回転角度センサのリニア型ホールセンサ４ｂとを用いてトルクを求めることができる。また、入力軸回転角度センサのリニア型ホールセンサ４ｂが故障してしまった場合、入力軸回転角度センサのリニア型ホールセンサ４ａと出力軸回転角度センサのリニア型ホールセンサ４ａとを用いてトルクを求めることができる。その原理は後に第３の実施形態で明らかにする。
【００５０】
次に、本発明の第２の実施形態を説明する準備として、円筒磁石の回転角度を粗く求めることができるように、及び円筒磁石の回転回数を求めることができるようにした回転センサについて説明する。
【００５１】
図３に示されるように、この回転センサは、２箇所のギャップ３に磁束密度の変化によって開閉されるリードスイッチ３１をそれぞれ設置し、回転回数演算回路３２がこれらリードスイッチ３１の開閉の組み合わせから円筒磁石１が磁気ヨーク２に対してなす回転角度を粗く求めるようにしたものである。磁気ヨーク個数、形状、ギャップの円周角についての条件は前述の磁性素子４を設ける形態と同じである。ここでは図１の回転角度センサにおける円筒磁石１、磁気ヨーク２、磁性素子４の形状・配置と同じとし、円周角が９０度異なる２箇所のギャップ３ｃ，３ｄにそれぞれリードスイッチ３１ｃ，３１ｄを設置したものを説明する。なお、区別を明確にするためにリードスイッチ３１ｃをＣ相スイッチ、リードスイッチ３１ｄをＤ相スイッチと呼ぶ。出力信号についてもＣ相出力信号、Ｄ相出力信号という区別をする。
【００５２】
回転回数演算回路３２は、各々のリードスイッチ３１ｃ，３１ｄに関する入力トリガ検出回路３３ｃ，３３ｄ及びパルス生成回路３４ｃ，３４ｄと、アップダウンカウンタ３５とからなる。入力トリガ検出回路３３ｃは、リードスイッチ３１ｃが閉じているとき、論理値１を出力し、リードスイッチ３１ｃが開いているとき論理値０を出力するものである（論理はこの逆でもよい）。パルス生成回路３４ｃは、入力トリガ検出回路３３ｂの出力の１つ目の立ち上がりエッジでトリガされて論理値１に転じ、２つ目の立ち上がりエッジでトリガされて論理値０に転じる回路である（立ち下がりエッジを用いてもよい）。入力トリガ検出回路３３ｄ及びパルス生成回路３４ｄも同等の動作をする回路である。
【００５３】
アップダウンカウンタ３５は、パルス生成回路３４ｃ，３４ｄの出力信号に生じるイベント（立ち上がり、立ち下がり、順序など）に応じてカウント値をアップカウント又はダウンカウントすることにより、おおまかな精度（角度分解能９０度）で絶対回転角度を表す。
【００５４】
この回転角度センサは、アップダウンカウンタ３５の最大値の範囲内で回転回数無限大で絶対回転角度を求めることができる。
【００５５】
リードスイッチ３１ｃ，３１ｄの動きを説明すると、円筒磁石１から出た磁束の様子は既に図１で説明した通りである。このとき、リードスイッチ３１ｃ，３１ｄが互いに９０度ずれた位置にあるため、一方がＮ極又はＳ極の近傍に位置しているときには他方はＮ極及びＳ極から９０度のあたりに位置している。よって、例えば、一方のリードスイッチ３１ｃが閉じていると、他方のリードスイッチ３１ｄは開いている（各リードスイッチ３１ｃ，３１ｄはこのように開閉するよう磁力とリードの反発力を調整してあるものとする）。円筒磁石１が回転すると、磁極に対するリードスイッチ３１ｃ，３１ｄの位置が変わってくるため、それぞれの開閉状態が変化する。
【００５６】
図４に示されるように、円筒磁石１の回転角度（ただし、図２とは０度の基準が異なる）を横軸（角度は最上のスケール付き横軸参照）に取り、ギャップ３におけるＮ極性の磁界の強さ（図１のような磁性素子４を挿入すれば出力信号の大きさとして取り出すことができる）を上向きに、Ｓ極性の磁界の強さを下向きにした縦軸を取って、ギャップ３ｃから得られる着磁パターン４１及びギャップ３ｄから得られる着磁パターン４２を描く。これは、円筒磁石１の回転に伴って各ギャップ３ｃ，３ｄに現れる磁界の強さの変化を表している。
【００５７】
この着磁パターン４１，４２の横軸と同じスケールで引いた横軸に対し、２つのリードスイッチ３１ｃ，３１ｄの開閉波形（入力トリガ検出回路３３ｃ，３３ｄの論理値波形）４３，４４と、２つのパルス生成回路３４ｃ，３４ｄの論理値波形４５，４６とを描く。
【００５８】
これらの波形を見ると、回転角度が０度のときリードスイッチ３１ｃは閉じており論理値１であるが、回転角度が少し大きくなるとリードスイッチ３１ｃは開いて論理値０となる。回転角度が１８０度の少し前でリードスイッチ３１ｃは閉じて論理値１、回転角度が１８０度から少し大きくなるとリードスイッチ３１ｃは開いて論理値０となる。このように、円筒磁石１の回転角度が１８０度増えるごとに開閉が繰り返され、リードスイッチ３１ｃの開閉波形４３はパルス波形となる。
【００５９】
パルス生成回路３４ｃでは入力トリガ検出回路３３ｃからパルスが２個来るごとに５０％デューティで１個のパルスを出力するので、パルス生成回路３４ｂの論理値波形４５は０度から１８０度少し前まで論理値１、１８０度少し前から３６０度少し前まで論理値０、３６０度少し前から３６０度まで論理値１というパルス波形となり、円筒磁石１の回転角度が７２０度、１０８０度…となっても同じことを繰り返す。
【００６０】
リードスイッチ３１ｄの開閉波形４４及びパルス生成回路３４ｄの論理値波形４６については、もはや説明するまでもなく、開閉波形４３及び論理値波形４５に対して位相が９０度ずれて変化することは明らかである。
【００６１】
２つの論理値波形４５，４６の論理値の組み合わせを見ると、０度少し前から３６０度少しまで９０度ごとに異なる４種類のパターンが得られる。よって、このパターンから円筒磁石１の回転角度を粗く（具体的には分解能９０度で）求めることができる。
【００６２】
回転回数演算回路３２のアップダウンカウンタ３５がパルス生成回路３４ｃ，３４ｄの出力信号に生じるイベントに応じてカウント値を変化させる。すなわちリードスイッチ３１ｃ，３１ｄの開閉の組み合わせ変化の履歴をカウント値として保持する。このカウント値から円筒磁石１の回転回数を求めることができる。
【００６３】
このようにして、図３の回転センサは、円筒磁石１の回転回数を求めることができる。
【００６４】
本発明の第２の実施形態によるトルクセンサは、複数回転における絶対回転角度を高分解能で求めてトルク検出精度を高めるもので、入力軸と出力軸に取り付けるそれぞれの回転角度センサを図５のように構成する。
【００６５】
図５の回転角度センサは、図１の回転角度センサに図３の回転センサを合体したものであるので、説明済みのものは説明を省く。回転角度演算回路５１は、回転角度演算回路５と回転回数演算回路３２に加えて、回転回数演算回路３２が出力する回転回数を取得する回転回数取得回路５２と、この回転回数に３６０度を乗じて回転回数分の回転角度を計算し、これに回転角度演算回路５が出力する１回転内の絶対回転角度とを加算することで、０度から累積して３６０度を越えてもキャンセルされずに累積を続ける回転角、つまり絶対回転角度を得る絶対回転角度演算回路５３とを有する。
【００６６】
図１、図３に関する動作説明はそれぞれ詳しく行ったので、ここでは説明を要しないであろうが、図３の回転角度センサが出力する円筒磁石１の回転回数でもって、０度、３６０度、７２０度、１０８０度…という１回転大区切りの回転角度を求め、図１の回転角度センサが出力する高分解能の絶対回転角度を上乗せするのである。
【００６７】
図５の形態には、さらに、節電のための構成が盛り込まれている。すなわち、回転角度演算回路５１は、リードスイッチ３１の開閉の組み合わせから円筒磁石１が磁気ヨーク２に対してなす回転角度を粗く求める粗演算回路３２と、磁性素子が検出する磁束密度の組み合わせから円筒磁石１が磁気ヨーク２に対してなす回転角度を求める密演算回路５と、粗演算で十分なときには密演算回路５及び磁性素子４への電源供給を停止して粗演算回路３２にだけ電源供給を行い、密演算が必要なときのみに密演算回路５及び磁性素子４への電源供給を粗演算回路３２への電源供給と併せて行う節電制御回路（図示せず）とを有する。
【００６８】
節電制御回路の詳細な部材や回路構成は説明しないが、図５の破線内に常時電源供給を行い、他の部分は必要時のみ電源供給する回路は、簡単に種々の形態で実現することができる。
【００６９】
ここで、リードスイッチ３１は磁力によって開閉される接点であるから駆動電力はいらない。また、分解能９０度の粗い回転角度検出と回転回数検出を行う粗演算回路３２は、極めて少ない個数の論理回路で構成できるため、消費電力も僅かである。一方、磁性素子４は消費電力が大きく、密演算回路５はマイコンで構成するため、消費電力が非常に大きい。そこで、節電制御回路が密演算回路５及び磁性素子４への電源供給を必要時のみに行うようにすれば、それ以外のときは粗演算回路３２と節電制御回路だけに電源があればよくなり、大幅に消費電力が低減できる。粗演算回路３２において回転回数検出ができているので、必要なときに密演算回路５に電源を与えて１回転内の絶対回転角度を検出すれば、複数回転での絶対回転角度を求めることができるので、この節電制御は絶対回転角度検出に対して制約・障害とはならない。
【００７０】
なお、図１、図５の回転角度センサでは、磁気ヨーク２として円筒磁石１の周囲を４等分で分割するよう同形の４つの扇形磁気ヨーク２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを設けて円周角９０度おきにギャップ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成したが、この構造は磁性素子４を磁気ヨーク２で囲う構造なので、磁気ヨーク２による磁気シールド効果で磁性素子４への外来ノイズが低減できる。
【００７１】
また、上記構造によれば、磁性素子４を磁気ヨーク２で囲う構造なので、軸の偏心による磁性素子４の出力信号の変動が少ない。
【００７２】
次に、本発明の第３の実施形態によるトルクセンサ（図６参照）は、トルク演算回路の構成を除けば第１又は第２の実施形態によるトルクセンサと同じである。そこで、円筒磁石１や磁気ヨーク２などの説明は省き、トルク演算回路についてのみ説明する。ただし、説明を簡単にするため、円筒磁石１と磁性素子４（磁気センサ）の位置関係を決めておく。
【００７３】
入力軸用Ａ相磁気センサと出力軸用Ａ相磁気センサは、同じ円周角の位置に配置されているものとする。つまり、軸延長方向から見ると、入力軸用Ａ相磁気センサと出力軸用Ａ相磁気センサとが重なって見えるという位置関係となる。同様に、入力軸用Ｂ相磁気センサと出力軸用Ｂ相磁気センサも同じ円周角の位置に配置されているものとする。一方、入力軸円形磁石と出力軸円形磁石は、トルクが０のとき、言い換えると弾性部材の捩れがない状態において、Ｎ極同士、Ｓ極同士がそれぞれ同じ円周角の位置となるよう配置されているものとする。トルクが加わると入力軸円形磁石と出力軸円形磁石のＮ極同士、Ｓ極同士がそれぞれ異なる円周角の位置となる。
【００７４】
図６に示されるように、トルク演算回路は、入力軸用Ａ相磁気センサと出力軸用Ａ相磁気センサの出力信号差（Ａ相差という）を求めるＡ相差分回路６１と、入力軸用Ｂ相磁気センサと出力軸用Ｂ相磁気センサの出力信号差（Ｂ相差という）を求めるＢ相差分回路６２と、これら求めたＡ相差及びＢ相差をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器６３，６４と、操舵角情報に基づきゼロクロス領域について判定する振幅判別回路６５と、Ａ相差又はＢ相差として得られた入力軸円筒磁石と出力軸円筒磁石の回転角度差を用いてトルク差を求めるトルク演算部６６とを有する。
【００７５】
図７に、入力軸が回転し、ある一定のトルクが維持されて出力軸が回転しているときにおけるトルク演算回路の演算の流れに沿って信号波形を示す。いずれの波形も横軸が回転角度、縦軸が信号の大きさを表している。
【００７６】
最も左で上段の信号波形は、入力軸に設けた回転角度センサにおける２つの磁気センサの出力信号を示したもので、Ａ相出力信号７１とＢ相出力信号７２とを描いてある。最も左で下段の信号波形は、出力軸についてのＡ相出力信号７３とＢ相出力信号７４を示したものであるが、弾性部材の捩れがあるため上段の入力軸のものとは位相がずれている。
【００７７】
このとき、入力軸と出力軸のＡ相出力信号７１，７３を示したものが左から２番目の上段の信号波形である。トルクが０ならば入力軸円形磁石と出力軸円形磁石のＮ極同士、Ｓ極同士がそれぞれ同じ円周角の位置にあるので、両Ａ相磁気センサの出力信号は重なるが、トルクが加わっていると、入力軸円形磁石と出力軸円形磁石のＮ極同士、Ｓ極同士がずれているため、両Ａ相磁気センサの出力信号は一致しない。ある一定のトルクが維持されて両軸が回転すると、図示の信号波形となる。
【００７８】
左から３番目の上段の信号波形はＡ相差７５を表している。このＡ相差７５は入力軸円形磁石と出力軸円形磁石間の回転角度のずれ、すなわち弾性部材の捩れ角θにほかならない。従って、第１の実施形態で述べたように入力軸と出力軸の回転角度を求めてから差をとらずとも、Ａ相差から捩れ角θが得られることになる。捩れ角θが分かれば式Ｔ＝Ｋ・θからトルクＴが演算できる。左から４番目の上段の信号波形はＡ相差７５を増幅したものである。
【００７９】
左から２番目〜４番目の下段の信号波形は入力軸と出力軸のＢ相出力信号７２，７３に関するもので、もはや説明するまでもなく、Ｂ相差７６からでも捩れ角θを得てトルクＴが演算できることは明白である。
【００８０】
ところで、Ａ相差７５及びＢ相差７６の信号波形を観察すると、両者とも正の値になったり、負の値になったりしている。これは入力軸用Ａ相磁気センサと出力軸用Ａ相磁気センサの出力信号（Ｂ相も同様）が周期信号であるために生じる。いまトルクは一定であるから、Ａ相差７５の値は一定でなければならない。そこで、トルク演算の際にはＡ相差が負の値なら−１をかけて正の値になおす。Ｂ相も同様である。
【００８１】
さらに観察すると、Ａ相差７５及びＢ相差７６の信号波形は、正から負の値、負から正の値へ遷移している途中の期間がある。この期間をゼロクロス領域と呼ぶ。ゼロクロス領域では、Ａ相差７５が捩れ角θを表さない。Ｂ相差７６も同様である。ということは、ゼロクロス領域の値はトルクＴの演算に使えない。しかし、Ａ相差のゼロクロス領域とＢ相差のゼロクロス領域とは出現する回転角度が異なる。この知見を用いてゼロクロス領域による演算不能を回避することができる。
【００８２】
すなわち、トルク演算回路は、あらかじめトルク差が一定になるように制御して入力軸を回転させたときの回転角度対Ａ相差及びＢ相差の波形（図７のこと）を記憶しており、そのＡ相差波形のゼロクロス領域ではＢ相差を用いてトルク差を求め、Ｂ相差波形のゼロクロス領域ではＡ相差を用いてトルク差を求めるようにする。具体的には、図８のように処理する。
【００８３】
図８の左上段の信号波形はＡ相差増幅信号８１、つまり図７の左から４番目の上段に示したものと同じである。図８の左下段の信号波形はＢ相差増幅信号８２、つまり図７の左から４番目の下段に示したものと同じである。いずれの波形も横軸が回転角度、縦軸が信号の大きさを表している。
【００８４】
さらに、図８では、Ａ相差ゼロクロス領域８３が示されている。Ａ相差ゼロクロス領域８３は、Ａ相差増幅信号８１が正の値から負の値へ遷移するときと、Ａ相差増幅信号８１が負の値から正の値へと遷移するときに生じている。しかし、いずれのＡ相差ゼロクロス領域８３においてもＢ相差増幅信号８２は一定である。そこで、まず、Ａ相差増幅信号８１の波形からＡ相差ゼロクロス領域８３以外の部分を取り出して右のグラフに記入する。次いで、Ｂ相差増幅信号８２の波形からＡ相差ゼロクロス領域８３の部分を取り出して右のグラフに記入する。すると、ゼロクロス領域を持たない理想的な階段波形８４が得られる。
【００８５】
この波形の負の値の部分に−１を乗算すれば正の一定値が得られる。つまり、ある一定のトルクが維持されて入力軸と出力軸が回転しているときに、一定の捩れ角θが得られるということになる。一定に加えるトルクの値が異なると入力軸用Ａ相磁気センサと出力軸用Ａ相磁気センサの出力信号間に生じる位相差が異なるので、ゼロクロス領域が現れる回転角度も異なるが、あらかじめ様々の値でトルクを一定にしたときの図７の波形を記憶しておけば、Ａ相差及びＢ相差のいずれをトルク演算に用いるかは容易に判断できる。
【００８６】
図９に、本発明のトルクセンサを車両に搭載した例を示す。この車両の主要部は、ドライバーが操作するハンドル９１と、ハンドルの回転を伝達する入力軸９２と、トーションバー（図示せず）と、トーションバーによって回転される出力軸９３と、出力軸の先端に設けられたピニオン９４と、このピニオン９４に噛み合うラック９５と、このラック９５の両端に連結された左右の駆動輪９６とを有する。
【００８７】
入力軸９２、トーションバー、出力軸９３が連結されている連結部９７には、これまで説明したトルクセンサが設けられる。トルク演算回路９８は、連結部９７内に組み込まれた磁性素子４、リードスイッチ３１から適宜引き回された信号線に接続され、車両内の適宜な場所に設けられている。トルク演算回路９８が出力するトルク、絶対操舵角、粗い操舵角、回転回数の信号線は車両の全般的な運動を制御する運動制御用コントローラ９９に接続されている。
【００８８】
従来の回転角度センサで操舵角を検出しようとすると、車両においてメイン電源を入れた直後にはセンサの変化値がないため絶対操舵角が検出できず、センサの変化値を出すために運転者がハンドルを回すなどしてステアリングシャフトを回転させる必要があった。これに対し、本発明の回転角度センサで操舵角を検出すれば、車両においてメイン電源を入れた直後でも、直ちに絶対操舵角が検出できる。
【００８９】
また、従来の回転角度センサでは操舵角を検出するしないにかかわらず、光エンコーダモジュール、ＭＲセンサ、マイコン（演算回路）に電源を供給しなければならなかった。これに対し、本発明のトルクセンサ（図５の形態）では、マイコン（密演算回路５）及び磁性素子４への電源供給を必要時以外カットできるので、電力資源が節約されると共に、バッテリを使用する車両においてはバッテリ上がりという深刻な事態を回避するのに役立つ。
【００９０】
本発明の回転角度センサにより、絶対操舵角が検出できるので、将来の車両の自動操縦に必要な一つの要素技術が提供できる。また、カーナビゲーションシステムを用いた自立航法にも活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１の実施形態のトルクセンサに用いる回転角度センサの軸断面構造及び回路図である。
【図２】図１の回転角度センサにおける磁性素子の出力信号の波形図である。
【図３】本発明の第２の実施形態のトルクセンサに用いる回転センサの軸断面構造及び回路図である。
【図４】図２の回転センサにおける磁界変化及び回転回数演算回路各部の波形図である。
【図５】本発明の第２の実施形態のトルクセンサに用いる回転角度センサの軸断面構造及び回路図である。
【図６】本発明の第３の実施形態のトルクセンサに用いるトルク演算回路の回路図である。
【図７】本発明の第３の実施形態のトルクセンサにおける信号処理を説明する図である。
【図８】本発明の第３の実施形態のトルクセンサにおける信号処理を説明する図である。
【図９】本発明のトルクセンサを用いた操舵角検出システムの構成図である。
【図１０】従来の回転角度センサの軸断面構造図である。
【符号の説明】
【００９２】
１  円筒磁石
２  磁気ヨーク
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ  扇形磁気ヨーク
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ  ギャップ
４  磁性素子
４ａ，４ｄ  リニア型ホールセンサ
５  回転角度演算回路（密演算回路）
３１，３１ｂ，３１ｃ  リードスイッチ
３２  回転回数演算回路（粗演算回路）
５１  回転角度演算回路
【図１】
2006284238.tif 000003
【図２】
2006284238.tif 000004
【図３】
2006284238.tif 000005
【図４】
2006284238.tif 000006
【図５】
2006284238.tif 000007
【図６】
2006284238.tif 000008
【図７】
2006284238.tif 000009
【図８】
2006284238.tif 000010
【図９】
2006284238.tif 000011
【図１０】
2006284238.tif 000012