(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸に配設された第１及び第２の回転軸をトーションバーを介して連結するとともに、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、
前記円筒部材の周方向に、所定間隔をあけて複数の窓を形成し、
前記被包囲部の周方向に、複数の歯部及び溝を交互に形成し、
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、
前記コイルのインピーダンス変化に基づいて前記第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したトルクセンサにおいて、
前記円筒部材の周面を周方向にＮ等分した角度を一周期角度θ１とすると、前記窓は、前記一周期角度θ１の一方の端からａ１度の角度の窓幅で開口し、残りのｂ１度の角度（ｂ１＝θ１−ａ１）の部分が塞がっており、
前記被包囲部の面を周方向にＮ等分した角度を一周期角度θ１とすると、前記一周期角度θ１の一方の端からａ２度の角度で前記歯部が形成され、残りのｂ２度の角度（ｂ２＝θ１−ａ２）に前記溝が形成されており、
窓幅比Ｒ１（％）＝ａ１／θ１とし、
歯幅比Ｒ２（％）＝ａ２／θ１とし、
窓・歯の平均値Ｖ（％）＝（窓幅比Ｒ１＋歯幅比Ｒ２）÷２  とすると、
３１．７％≦  窓・歯の平均値Ｖ  ≦３５．０％の範囲となるように、前記円筒部材の全ての前記窓の前記窓幅と、前記被包囲部の全ての前記歯部の歯幅とを、所定値に設定しているとともに、
前記円筒部材に、前記被包囲部の前記歯部よりも周方向幅の広い前記窓を形成したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
窓・歯の平均値Ｖ  ＝  ３３．３％となるように、前記円筒部材の全ての前記窓の前記窓幅と、前記被包囲部の全ての前記歯部の歯幅とを所定値に設定し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】
同軸に配設された第１及び第２の回転軸をトーションバーを介して連結するとともに、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、
前記円筒部材の周方向に、所定間隔をあけて複数の窓を形成し、
前記被包囲部の周方向に、複数の歯部及び溝を交互に形成し、
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、
前記コイルのインピーダンス変化に基づいて前記第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したトルクセンサにおいて、
前記円筒部材の周面を周方向にＮ等分した角度を一周期角度θ１とすると、前記窓は、前記一周期角度θ１の一方の端からａ１度の角度の窓幅で開口し、残りのｂ１度の角度（ｂ１＝θ１−ａ１）の部分が塞がっており、
前記被包囲部の面を周方向にＮ等分した角度を一周期角度θ１とすると、前記一周期角度θ１の一方の端からａ２度の角度で前記歯部が形成され、残りのｂ２度の角度（ｂ２＝θ１−ａ２）に前記溝が形成されており、
前記円筒部材の全ての前記窓を、窓幅ａ１：窓以外の閉塞部分ｂ１＝１：２となるように形成し、前記被包囲部の全ての前記歯部を、歯幅ａ２：溝幅ｂ２＝１：２となるように形成しているとともに、
前記円筒部材に、前記被包囲部の前記歯部よりも周方向幅の広い前記窓を形成したことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項４】
前記円筒部材の前記窓が形成された部分を包囲する少なくとも２対のコイルを配設し、これら２対のコイルのインピーダンス変化に基づいて前記第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したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルクセンサ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載のトルクセンサを備え、ステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵トルクを前記トルクセンサが検出することを特徴とする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】
本発明は、トルクセンサ及びそれを備えた電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両の操舵系の一部に捩じれ方向に弾性変形可能なトーションバーを設けることにより、トーションバーを介して連結される軸間に操舵トルクに比例した相対回転を発生させ、その相対回転を測定することにより操舵トルクを検出することができ、その検出されたトルクに応じて操舵補助トルクを発生させることにより運転者の負担を軽減する電動パワーステアリング装置がある。
この電動パワーステアリング装置の相対回転を測定する形式のトルクセンサとして、例えば特許文献１のように、トルクに応じて変化するコイルのインピーダンスを測定することによりトルクを検出するものが存在する。
【０００３】
特許文献１のトルクセンサは、同軸に配設された出力側回転軸と入力側回転軸とを、トーションバーを介して連結するとともに、導電性で且つ非磁性の材料からなる円筒部材を、出力側回転軸の外周面を包囲するように、入力側回転軸に対して回転方向に一体化し、出力側回転軸の少なくともスリーブに包囲された被包囲部を磁性材料で形成している。また、被包囲部の周方向に、所定間隔をあけて複数の溝を形成し、円筒部材の周方向に、所定間隔をあけて複数の窓を形成している。さらに、円筒部材の複数の窓を包囲するようにコイルを配設している。
そして、入力側回転軸及び出力側回転軸のねじれ角度が、円筒部材の窓と被包囲部の溝の重なり具合の変化によりコイルのインピーダンスの変化として現れるので、このインピーダンスの変化をトルク信号として取得している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−６１２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、トルクセンサは、入力側回転軸及び出力側回転軸のねじれ角度の変化を正確なコイルのインピーダンス変化として得るために、インピーダンスの波形を理想的な正弦波状に変化させる必要がある。
しかし、特許文献１のトルクセンサは、インピーダンスの波形に高調波成分が重畳しているので、インピーダンスのｐ−ｐ中心値と、円筒部材の窓・被包囲部の溝の中立位置がずれてしまい、インピーダンスの波形を理想的な正弦波状の波形として得ることができない。
【０００６】
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、インピーダンスの波形に重畳している高調波成分を大幅に減少させることでインピーダンスの波形を理想的な正弦波状に変化させることができ、第１及び第２の回転軸の間に発生するトルクを高精度に検出することができるトルクセンサを及びそ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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために、本発明に係る請求項１記載のトルクセンサは、  同軸に配設された第１及び第２の回転軸をトーションバーを介して連結するとともに、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、前記円筒部材の周方向に、所定間隔をあけて複数の窓を形成し、前記被包囲部の周方向に、複数の歯部及び溝を交互に形成し、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、前記コイルのインピーダンス変化に基づいて前記第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したトルクセンサにおいて、前記円筒部材の周面を周方向にＮ等分した角度を一周期角度θ１とすると、前記窓は、前記一周期角度θ１の一方の端からａ１度の角度の窓幅で開口し、残りのｂ１度の角度（ｂ１＝θ１−ａ１）の部分が塞がっており、前記被包囲部の面を周方向にＮ等分した角度を一周期角度θ１とすると、前記一周期角度θ１の一方の端からａ２度の角度で前記歯部が形成され、残りのｂ２度の角度（ｂ２＝θ１−ａ２）に前記溝が形成されており、窓幅比Ｒ１（％）＝ａ１／θ１とし、歯幅比Ｒ２（％）＝ａ２／θ１とし、窓・歯の平均値Ｖ（％）＝（窓幅比Ｒ１＋歯幅比Ｒ２）÷２  とすると、３１．７％≦  窓・歯の平均値Ｖ  ≦３５．０％の範囲となるように、前記円筒部材の全ての前記窓の前記窓幅と、前記被包囲部の全ての前記歯部の歯幅とを、所定値に設定しているとともに、前記円筒部材に、前記被包囲部の前記歯部よりも周方向幅の広い前記窓を形成した。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のトルクセンサにおいて、窓・歯の平均値Ｖ  ＝  ３３．３％となるように、前記円筒部材の全ての前記窓の前記窓幅と、前記被包囲部の全ての前記歯部の歯幅とを所定値に設定した。
【０００９】
また、請求項３記載の発明は、同軸に配設された第１及び第２の回転軸をトーションバーを介して連結するとともに、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、前記円筒部材の周方向に、所定間隔をあけて複数の窓を形成し、前記被包囲部の周方向に、複数の歯部及び溝を交互に形成し、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、前記コイルのインピーダンス変化に基づいて前記第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したトルクセンサにおいて、前記円筒部材の周面を周方向にＮ等分した角度を一周期角度θ１とすると、前記窓は、前記一周期角度θ１の一方の端からａ１度の角度の窓幅で開口し、残りのｂ１度の角度（ｂ１＝θ１−ａ１）の部分が塞がっており、前記被包囲部の面を周方向にＮ等分した角度を一周期角度θ１とすると、前記一周期角度θ１の一方の端からａ２度の角度で前記歯部が形成され、残りのｂ２度の角度（ｂ２＝θ１−ａ２）に前記溝が形成されており、前記円筒部材の全ての前記窓を、窓幅ａ１：窓以外の閉塞部分ｂ１＝１：２となるように形成し、前記被包囲部の全ての前記歯部を、歯幅ａ２：溝幅ｂ２＝１：２となるように形成しているとともに、前記円筒部材に、前記被包囲部の前記歯部よりも周方向幅の広い前記窓を形成したことを特徴とするトルクセンサである。
【００１０】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のトルクセンサにおいて、前記円筒部材の前記窓が形成された部分を包囲する少なくとも２対のコイルを配設し、これら２対のコイルのインピーダンス変化に基づいて前記第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した。
さらに、請求項５記載の発明は、請求項１乃至５の何れか１項に記載のトルクセンサを備え、ステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵トルクを前記トルクセンサが検出することを特徴とする電動パワーステアリング装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るトルクセンサによれば、３１．７％≦  窓・歯の平均値Ｖ  ≦３５．０％の範囲となるように、円筒部材の全ての窓の窓幅と、被包囲部の全ての歯部の歯幅とを、所定値に設定したので、コイルで発生するインピーダンスの波形に重畳している２次高調波成分を大幅に減少させてインピーダンスの波形を理想的な正弦波状に変化させることができ、第１及び第２の回転軸の間に発生するトルクを高精度に検出することが可能となる。
また、本発明に係る電動パワーステアリング装置によると、ステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵トルクを高精度に検出し、操舵補助トルクを伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る電動パワーステアリング装置の要部を示す断面図である。
【図２】本発明に係るトルクセンサを示す斜視図である。
【図３】トルクセンサを構成する円筒部材及びコイルを示す図である。
【図４】トルクセンサを構成する出力軸のセンサシャフト部を示す図である。
【図５】モータ制御回路の一例を示す図である。
【図６】操舵トルクとコイルのインダクタンスとの関係を示すグラフである。
【図７】円筒部材に形成した窓の窓幅が変化したときの２次高調波成分の変化を示すグラフである。
【図８】窓幅が小さいときのインピーダンスの波形を示す図である。
【図９】窓幅が少し大きくなったときのインピーダンスの波形を示す図である。
【図１０】窓幅が大きくなったときのインピーダンスの波形を示す図である。
【図１１】窓・歯の平均値と２次高調波成分の関係を示すグラフである。
【図１２】他の実施形態のトルクセンサを示す斜視図である。
【図１３】図１２のトルクセンサに対応したモータ制御回路の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
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。
先ず、電動パワーステアリング装置の構成を説明すると、図１に示すように、ハウジング１内に、トーションバー４を介して連結された入力軸２及び出力軸３が、軸受５ａ及び５ｂによって回転自在に支持されている。
【００１４】
これら入力軸２，出力軸３及びトーションバー４は、同軸に配置されており、入力軸２及びトーションバー４の間は、それら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、トーションバー４の他端側は出力軸３内の深く入り込んだ位置にスプライン結合されている。また、入力軸２及び出力軸３は、鉄等の磁性材料から形成されている。
入力軸２の図示しない右端側には、ステアリングホイール（不図示）が回転方向に一体に取り付けられており、また、出力軸３の左端には、例えば公知のラックアンドピニオン式ステアリング装置を構成するピニオン軸（不図示）が連結されている。従って、操縦者がステアリングホイールを操舵することによって発生した操舵力は、入力軸２、トーションバー４、出力軸３及びラックアンドピニオン式ステアリング装置を介して転舵輪（不図示）に伝達する。
【００１５】
入力軸２の左端部に固定されたスリーブ２Ａは、出力軸３の右端部の外周面を包囲するような長さを有している。そして、そのスリーブ２Ａの出力軸３の右端部の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、それら凸部２ａ及び溝３ａは周方向に余裕を持って嵌め合わされていて、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。
【００１６】
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６が外嵌し、このウォームホイール６の樹脂製の噛合部６ａと、電動モータ７の出力軸７ａ外周面に形成されたウォーム７ｂとが噛み合っている。従って、電動モータ７の回転力は、その出力軸７ａ，ウォーム７ｂ及びウォームホイール６を介して出力軸３に伝達されるようになっており、電動モータ７の回転方向を適宜切り換えることにより、出力軸３に任意の方向の操舵補助トルクが付与されるようになっている。
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８が回転方向に一体に固定されている。
【００１７】
円筒部材８は、導電性で且つ非磁性の材料（例えば、アルミニウム）から形成されており、円筒部材８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、図２に示すように、周方向に等間隔離隔した長方形の複数（この実施形態では、８つ）の窓８Ａ，…，８Ａからなる第１窓列が形成され、スリーブ２Ａから遠い側には、窓８Ａ，…，８Ａ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８Ａと同形状）の複数（この実施形態では、８つ）の窓８Ｂ，…，８Ｂからなる第２窓列が形成されている。
【００１８】
円筒部材８の形状は、図３に示すように、円筒部材８の周面を周方向にＮ（この例ではＮ＝８）等分した角度を一周期角度θ１（＝３６０／Ｎ、この例ではθ１＝４５度）とし、円筒部材８のスリーブ２Ａに近い側の部分では一周期角度θ１の一方の端からａ１度の部分が窓８Ａ，…，８Ａの周方向幅（窓幅）となり、残りのｂ１度（ｂ１＝θ１−ａ１）の部分が塞がっている。また、図示しないが、窓８Ａ，…，８Ａとの位相が１８０度ずれるように、円筒部材８のスリーブ２Ａから遠い側の部分では一周期角度θ１の他方の端からａ１度の部分が窓８Ｂ，…，８Ｂの周方向幅（窓幅）となり、残りのｂ１度（ｂ１＝θ１−ａ１）の部分が塞がっている。
【００１９】
出力軸３の円筒部材８に包囲された部分（以下、センサシャフト部３ｂと称する）の外周面には、軸方向に延びる横断面略長方形の複数（窓８Ｂ，８Ｂと同数、従ってこの例では８つ）の溝３Ａ，…，３Ａが形成されているとともに、これら溝３Ａの間に、横断面凸型の歯部３Ｂ，…，３Ｂが形成されている。
出力軸３のセンサシャフト部３ｂの外周面は、図４に示すように、出力軸３の周面を周方向にＮ（この例ではＮ＝８）等分した角度を一周期角度θ１（＝３６０／Ｎ、この例ではθ１＝４５度）とし、一周期角度θ１の一方の端からａ２度の部分が歯部３Ｂの周方向幅（歯幅）となり、残りのｂ２度（ｂ２＝θ１−ａ２）の部分が溝３Ａの周方向幅となっている。
【００２０】
円筒部材８は、同一規格のコイル１０及び１１が巻き付けられたヨーク９で包囲されている。即ち、コイル１０及び１１は、円筒部材８と同軸に配置されていて、コイル１０は窓８Ａ，…，８Ａが形成された部分を包囲するようにヨーク９に巻き付けられ、コイル１１は窓８Ｂ，…，８Ｂが形成された部分を包囲するようにヨーク９に巻き付けられていて、ヨーク９はハウジング１に固定されている。なお、ハウジング１内のウォームホイール６が配設されている空間とヨーク９が配設されている空間との間は、オイルシール１２によって隔離されていて、これによりウォームホイール６及びウォーム７の噛み合い部分に供給される潤滑油がヨーク９側に入り込まないようになっている。
【００２１】
コイル１０及び１１は、センサケース１３内の制御基板１４上に構成されているモータ制御回路（図１には不図示）に接続されている。
モータ制御回路は、図５に示すように、発振器６０、電気抵抗６１ａ、６１ｂ、差動アンプ５１、整流・平滑回路５２、ローパスフィルタ５３、ノイズ除去フィルタ５４、トルク演算部５５及びモータ駆動部５６を備えている。
【００２２】
コイル１０，１１には、電気抵抗６１ａ、６１ｂを介して発振器６０が電気的に接続され、発振器６０からコイル１０，１１に励磁電流が供給される。
差動アンプ５１は、コイル１０，１１の出力差、すなわち、コイル１０，１１の端子電圧の差（端子電圧差）を増幅して出力する。整流・平滑回路５２は、差動アンプ５１の出力を整流、及び平滑して出力する。ノイズ除去フィルタ５４は、整流・平滑回路５２の出力から高周波ノイズ成分を除去して出力する。
【００２３】
トルク演算部５５は、ノイズ除去フィルタ５４の出力（例えば、平均値）に基づいて、入力軸２と円筒部材８と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、例えば、所定の比例定数を乗じて、操舵系に発生している操舵トルクを求める。モータ駆動部５６は、トルク演算部５５の演算結果に基づいて、運転者による操舵トルクを軽減する操舵補助トルクを発生できる駆動電流Ｉｃを電動モータ７に供給する。
【００２４】
次に、本発明に係る電動パワーステアリング装置の動作について説明する。
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４には捩れが発生せず、入力軸２と出力軸３とは相対回転しない。出力軸３と円筒部材８との間にも、相対回転は生じない。
一方、ステアリングホイールを操作して入力軸２に回転力が加わると、その回転力はトーションバー４を経て出力軸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の図示しない左端側に構成されたラックアンドピニオン式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、トーションバー４が捩じ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８間にも相対回転が生じる。
【００２５】
円筒部材８に窓がない部位では、円筒部材８は導電性で且つ非磁性材（例えば、アルミニウム）で構成されていることから、コイル１０，１１に交流電流を流して交番磁界を発生させると、円筒部材８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８の内側の磁界は相殺される。
【００２６】
円筒部材８に窓が形成されている部位では、円筒部材８の外周面に発生した渦電流は、窓８Ａ及び８Ｂによって外周面を周回できないため、窓８Ａ及び８Ｂの端面に沿って円筒部材８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８Ａ及び８Ｂ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、コイル１０，１１の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８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８Ａ及び８Ｂの中心で強く、そこからずれるに従い弱くなる。
【００２７】
円筒部材８の内側に配置された出力軸３のセンサシャフト部３ｂの歯部３Ｂは、円筒部材８の８Ａ及び８Ｂ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８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、出力軸３に発生する磁束は、円筒部材８と出力軸３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８の窓８Ａ及び８Ｂの中心と出力軸３のセンサシャフト部３ｂの歯部３Ｂの中心とが一致した状態で、磁束の増減に応じてコイル１０及び１１のインダクタンスも増減し、略正弦波状に変化する。
【００２８】
トルクが作用しない状態では、インダクタンスが最小となる位相（窓８Ａ及び８Ｂと歯部３Ｂとが重なっていない位相）に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４が捩れ、出力軸３のセンサシャフト部３ｂと円筒部材８との間に位相差が生じると、２つのコイル１０及び１１のインダクタンスは、一方が増加し、他方は減少する。
【００２９】
図６は操舵トルクＴとコイル１０（又は１１）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６に示すように、操舵トルクＴが増大するにつれ検出コイル１０のインダクタンスＬ１０は減少し、コイル１１のインダクタンスＬ１１は増加する。
また、左操舵トルク発生時は、図６に示すように、操舵トルクＴが増大するにつれ検出コイル１０のインダクタンスＬ１０は増加し、検出コイル１１のインダクタンスＬ１１のインダクタンスは減少する。
【００３０】
そして、インダクタンスＬ１０及びＬ１１が図６に示すように変化すれば、発振部２１から供給される電流の周波数ωが一定という条件下では、コイル１０及び１１のインピーダンスも、図６のインダクタンスＬ１０及びＬ１１と同様の傾向で変化し、コイル１０及び１１の自己誘導起電力も同様の傾向で変化する。
したがって、コイル１０及び１１の自己誘導起電力の差を求める差動アンプ５１の出力は、操舵トルクの方向及び大きさに従ってリニアに変化するようになる。また、差動アンプ５１においてコイル１０及び１１の端子電圧を求めているため、温度等による自己インダクタンスの変化はキャンセルされる。
【００３１】
そして、トルク演算部５５は、ノイズ除去フィルタ５４を介して供給される整流・平滑回路５２ＭＰの出力に基づいて操舵トルクを求め、その結果をモータ駆動部５６に供給する。モータ駆動部５６は、操舵トルクの方向及び大きさに応じた駆動電流Ｉｃを電動モータ７に供給する。すると、電動モータ７には、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が発生し、その回転力がウォームギア等を介して出力軸３に伝達されるから、出力軸３に操舵補助トルクが付与されたことになり、操舵トルクが減少し、操縦者の負担が軽減される。
【００３２】
ところで、上述したコイル１０及び１１で発生するインピーダンスの波形Ｚ１θは、以下の（１）式のように擬似的に表される。
Ｚ１θ  ＝  ＤＣ１  ＋  ＡＣ１・ｓｉｎθ  ＋  ＡＣ２・ｃｏｓ２θ    ……  （１）
この（１）式のインピーダンスの波形Ｚ１θには、２次高調波成分（ＡＣ２・ｃｏｓ２θ）が基本成分に重畳しており、この２次高調波成分が増大すると、インピーダンスの波形Ｚ１θが理想的な正弦波状の波形として得られないので、モータ制御回路のトルク演算部２６は、操舵トルクの大きさを高精度に検出することができない。
【００３３】
そこで、以下に示す実施形態のトルクセンサとすることで、インピーダンスの波形を理想的な正弦波状に変化させて操舵トルクを高精度に検出できるようにしている。
具体的には、円筒部材８の窓８Ａ，…，８Ａ（或いは８Ｂ，…，８Ｂ）の窓幅ａ１と、出力軸３のセンサシャフト部３ｂの歯幅ａ２との関係を、表１のように設定した適用１〜適用６のトルクセンサとすることで、インピーダンスの波形から２次高調波成分の大幅な減少を図っている。
【００３４】
【表１】
0005821496.tif 000002
【００３５】
なお、窓幅比Ｒ１（％）は、Ｒ１＝窓幅ａ１／一周期角度θ１（θ１＝４５度）であり、歯幅比Ｒ２（％）は、Ｒ１＝歯幅ａ２／一周期角度θ１（θ１＝４５度）であり、  窓・歯の平均値Ｖ（％）は、Ｖ＝（窓幅比Ｒ１＋歯幅比Ｒ２）／２である。
【００３６】
［第１実施形態のトルクセンサ］
本実施形態では、表１の比較１〜比較３、適用１〜適用６で示すトルクセンサは、円筒部材８の周方向に設けた全ての窓８Ａ，…，８Ａ、窓８Ｂ，…，８Ｂが同一形状に形成されている。
まず、表１の比較１，２及び適用１のトルクセンサについて説明する。
これら表１の比較１，２及び適用１のトルクセンサは、歯幅ａ２を１２．０度に固定した状態で、窓幅ａ１を、１０．０度、１４．０度、１８．０度に変化させたものであり、これらトルクセンサのインピーダンスを測定した。その結果、図７に示すように、窓幅ａ１が大きくなるに従い、２次高調波成分の直線的な減少変化が見られ、窓幅ａ１＝１８度に設定したときに、インピーダンスの波形から２次高調波成分が最も減少することがわかる。
【００３７】
すなわち、歯幅ａ２＝１２．０度、窓幅ａ１＝１０．０度に設定すると、図８（ａ）に示すように、２次高調波成分の増大によって理想的な正弦波状の波形とは異なるインピーダンスの波形となり、図８（ｂ）に示すように、コイル１０及び１１で発生するインピーダンスのｐ−ｐ中央値が中立位置に一致しない。
また、歯幅ａ２＝１２．０度、窓幅ａ１＝１４．０度に設定した場合も、図９（ａ）に示すように、２次高調波成分の増大により理想的な正弦波状の波形とは異なるインピーダンスの波形となり、図９（ｂ）に示すように、２つのコイル１０及び１１で発生するインピーダンスのｐ−ｐ中央値が中立位置に一致しない。
【００３８】
そして、歯幅ａ２＝１２．０度、窓幅ａ１＝１８．０度に設定した場合には、図１０（ａ）に示すように、２次高調波成分が大幅に減少し（略０となり）、理想的な正弦波状のインピーダンスの波形となるので、図１０（ｂ）に示すように、２つのコイル１０及び１１で発生するインピーダンスのｐ−ｐ中央値は中立位置に一致する。
ここで、窓幅ａ１＝１８．０度、歯幅ａ２＝１２．０度とした場合に、窓・歯の平均値Ｖは３３．３％となる。
【００３９】
したがって、窓・歯の平均値Ｖが３３．３％となるように、円筒部材８の窓８Ａ，…，８Ａ（或いは８Ｂ，…，８Ｂ）の窓幅ａ１及びセンサシャフト部３ｂの窓幅ａ１を所定値に設定すると、コイル１０及び１１で発生するインピーダンスの波形に重畳している高調波成分を大幅に減少させてインピーダンスの波形を理想的な正弦波状に変化させることができるので、モータ制御回路のトルク演算部２６は、操舵トルクの大きさを高精度に検出することができる。
【００４０】
次に、表１の比較３及び適用３，４のトルクセンサについて説明する。
これら表１の比較３及び適用３，４のトルクセンサは、窓幅ａ１を１６．５度に固定した状態で、歯幅ａ２を、１１．０度、１２．０度、１３．５度に変化させたものであり、これらトルクセンサのインピーダンスを測定した。その結果、図１１に示すように、２次高調波成分は、窓・歯の平均値Ｖに略比例して変化し、平均値Ｖが増大すると２次高調波成分が減少することがわかる。
【００４１】
この中で、窓幅ａ１＝１６．５度、歯幅ａ２＝１３．５度に設定され、窓・歯の平均値Ｖが３３．３％の適用４のトルクセンサは、図１１に示すように、２次高調波成分が大幅に減少するので（略０となり）、前述した適用１と同様に、コイル１０及び１１で発生するインピーダンスの波形に重畳している２次高調波成分を大幅に減少させてインピーダンスの波形を理想的な正弦波状に変化させることができるので、モータ制御回路のトルク演算部２６は、操舵トルクの大きさを高精度に検出することができる。
【００４２】
次に、表１の適用５及び適用６のトルクセンサについて説明する。
適用５のトルクセンサは、窓幅ａ１＝１７．０度、歯幅ａ２＝１２．０度に設定され、窓・歯の平均値Ｖが３２．２％であり、図１１に示すように、２次高調波成分が０．５Ωを下回る小さな値となり、コイル１０及び１１で発生するインピーダンスの波形が理想的な正弦波状となるように、２次高調波成分を減少させることができる。
【００４３】
また、比較６のトルクセンサは、窓幅ａ１＝１８．０度、歯幅ａ２＝１３．５度に設定され、窓・歯の平均値Ｖが３５．０％であり、図１１に示すように、２次高調波成分が、−０．０７Ω程の値となる。このように２次高調波成分が小さな値になると、コイル１０及び１１で発生するインピーダンスの波形が理想的な正弦波状となるように、２次高調波成分を減少させることができる。
したがって、図１１において最適範囲と記載したように、窓・歯の平均値Ｖが、３１．７％≦Ｖ≦３５．０となるように円筒部材８の窓８Ａ，…，８Ａ（或いは８Ｂ，…，８Ｂ）の窓幅ａ１及びセンサシャフト部３ｂの窓幅ａ１を所定値に設定すると、コイル１０及び１１で発生するインピーダンスの波形が理想的な正弦波状となるように、２次高調波成分を減少させることができる。
【００４４】
さらに、表１の適用２のトルクセンサについて説明する。
表１の適用２のトルクセンサは、窓幅ａ１及び歯幅ａ２を１５．０度に設定することで、窓幅比Ｒ１及び歯幅比Ｒ２の両者を３３．３％に設定している。
窓幅比Ｒ１＝３３．３％とは、円筒部材８の周面を周方向にＮ（この例ではＮ＝８）等分した一周期角度θ１において、窓８Ａ，８Ｂを形成した領域（窓有部）と、窓８Ａ，８Ｂを形成していない領域（窓無部）との比が、窓有部：窓無部＝１：２となっている。
【００４５】
また、歯幅比Ｒ２＝３３．３％とは、センサシャフト部３ｂの周面を周方向にＮ（この例ではＮ＝８）等分した一周期角度θ１において、歯部３Ｂを形成した領域（歯有部）と、歯部８Ｂを形成していない領域（歯無部：溝３Ａ）との比が、歯有部：歯無部＝１：２となっている。
適用２のトルクセンサは、図１１の前述した適用１，４と同様に、２次高調波成分が大幅に減少する（略０となる）。
【００４６】
したがって、円筒部材８の一周期角度θ１において窓有部：窓無部＝１：２となるように全ての窓８Ａ（８Ｂ）を形成し、且つ、センサシャフト部３ｂの一周期角度θ１において歯有部：歯無部＝１：２となるように溝３Ａ，３Ｂを形成すると、コイル１０及び１１で発生するインピーダンスの波形に重畳している高調波成分を大幅に減少させてインピーダンスの波形を理想的な正弦波状に変化させることができるので、モータ制御回路のトルク演算部２６は、操舵トルクの大きさを高精度に検出することができる。
【００４７】
さらにまた、適用１、適用３、適用４、適用５及び適用６のトルクセンサは、窓幅ａ１＞歯幅ａ２の関係となっている。
窓幅ａ１＞歯幅ａ２の関係となっていると、円筒部材８及び出力軸３のセンサシャフト部３ｂが相対回転する際に、窓８Ａ（８Ｂ）を通じて露出する歯部３Ｂの表面積が大きくなるので、図６のインダクタンスＬ１０及びＬ１１が上側にオフセットし、その結果、コイル１０，１１が発生するインピーダンスを増大させることができる。
したがって、適用１、適用３、適用４、適用５及び適用６のトルクセンサは、コイル１０，１１が発生するインピーダンスを高くし、消費電力を抑えてセンサケース１３内の制御基板１４上に設けたモータ制御回路の発熱を低減することができる。
【００４８】
［第２実施形態のトルクセンサ］
ところで、円筒部材８は、薄肉の円筒形状のアルミニウム材に、窓８Ａ，…，８Ａ及び窓８Ｂ，…，８Ｂを開けて加工しているが、窓８Ａ，…，８Ａと窓８Ｂ，…，８Ｂの間の領域が狭すぎると変形し易いので、生産性が低下しやすい。
そこで、本実施形態のトルクセンサは、円筒部材８の周方向に設けたＮ個の窓８Ａ，…，８Ａを窓幅ａ１＝１７．０度とし、Ｎ個の窓８Ｂ，…，８Ｂを窓幅ａ１＝１６．５度とし、センサシャフト部３ｂの歯幅ａ２＝１２．０度としている（表１の適用３及び適用５を組み合わせた構造とする。）。なお、Ｎ個の窓８Ｂ，…，８Ｂを窓幅ａ１＝１７．０度とし、Ｎ個の窓８Ａ，…，８Ａを窓幅ａ１＝１６．５度としてもよい。
【００４９】
このような構造にすると、本実施形態のトルクセンサは、円筒部材８の窓８Ａ，…，８Ａと窓８Ｂ，…，８Ｂの間の領域が広くなり変形し難くなるので、円筒部材８の生産性を向上させることができる。
また、本実施形態のトルクセンサは、窓・歯の平均値Ｖが３１．７％の近傍となり、図１１に示すように、比較２のトルクセンサ（窓幅ａ１＝１４．０度、歯幅ａ２＝１２．０度）と比較して、２次高調波成分が１／２を下回る値（０．３Ω程度）となる。したがって、コイル１０及び１１で発生するインピーダンスの波形が理想的な正弦波状となるように、２次高調波成分を減少させることができる。
【００５０】
さらに、本実施形態のトルクセンサは、図１１に示すように、窓・歯の平均値Ｖが３５．０％の近傍であっても、２次高調波成分が大幅に減少する。
したがって、本実施形態のトルクセンサも、窓・歯の平均値Ｖが、３１．７％以上、且つ３５．０％以下の値となるように窓幅ａ１及び歯幅ａ２を設定すると、コイル１０及び１１で発生するインピーダンスの波形が理想的な正弦波状となるように２次高調波成分を減少させることができる。
【００５１】
［第３実施形態のトルクセンサ］
さらに、図１２に示す円筒部材８は、スリーブ２Ａに近い側に周方向に等間隔離隔した長方形の複数（この実施形態では、８つ）の窓８Ａ，…，８Ａからなる第１窓列が形成されているとともに、スリーブ２Ａから遠い側に向けて、周方向に等間隔離隔した長方形（窓８Ａと同形状）の複数の窓８Ｂ，…，８Ｂからなる第２窓列、複数の窓８Ｃ，…，８Ｃからなる第３窓列及び複数の窓８Ｄ，…，８Ｄからなる第４窓列が形成されている。
【００５２】
本実施形態の円筒部材８は、同一規格の２対のコイル１０Ａ，１１Ａ及び１０Ｂ、１１Ｂが巻き付けられたヨーク９により包囲されている。すなわち、コイル１０Ａは窓８Ａ，…，８Ａからなる第１窓列を包囲するようにヨーク９に巻き付けられ、コイル１１Ａは窓８Ｂ，…，８Ｂからなる第２窓列を包囲するようにヨーク９に巻き付けられ、コイル１０Ｂは窓８Ｃ，…，８Ｃからなる第３窓列を包囲するようにヨーク９に巻き付けられ、コイル１１Ｂは窓８Ｄ，…，８Ｄからなる第４窓列を包囲するようにヨーク９に巻き付けられている。
【００５３】
コイル１０及び１１は、センサケース１３内の制御基板１４上に構成されているモータ制御回路（図１には不図示）に接続されている。
モータ制御回路は、図５に示すように、発振器６０、電気抵抗６１ａ、６１ｂ、差動アンプ５１、整流・平滑回路５２、ローパスフィルタ５３、ノイズ除去フィルタ５４、トルク演算部５５及びモータ駆動部５６を備えている。
コイル１０，１１には、電気抵抗６１ａ、６１ｂを介して発振器６０が電気的に接続され、発振器６０からコイル１０，１１に励磁電流が供給される。
【００５４】
差動アンプ５１は、コイル１０，１１の出力差、すなわち、コイル１０，１１の端子電圧の差（端子電圧差）を増幅して出力する。整流・平滑回路５２は、差動アンプ５１の出力を整流、及び平滑して出力する。ノイズ除去フィルタ５４は、整流・平滑回路５２の出力から高周波ノイズ成分を除去して出力する。
トルク演算部５５は、ノイズ除去フィルタ５４の出力（例えば、平均値）に基づいて、入力軸２と円筒部材８と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、例えば、所定の比例定数を乗じて、操舵系に発生している操舵トルクを求める。モータ駆動部５６は、トルク演算部５５の演算結果に基づいて、運転者による操舵トルクを軽減する操舵補助トルクを発生できる駆動電流Ｉｃを電動モータ７に供給する。
【００５５】
本実施形態の２対のコイル１０Ａ，１１Ａ及び１０Ｂ、１１Ｂは、センサケース１３内の制御基板１４上に構成されているモータ制御回路に接続されている。
モータ制御回路は、図１３に示すように、第１信号処理回路５７Ａ、第２信号処理回路５７Ｂ，トルク演算部５５及びモータ駆動部５６を備えている。
図１３に示すように、一方の一対のコイル１０Ａ，１１Ａは、第１発振器６０Ａが電気的に接続され、第１発振器６０Ａによってコイル１０Ａ，１１Ａに励磁電流が供給される。また、他方の一対のコイル１０Ｂ，１１Ｂには、第２発振器６０Ｂが電気的に接続され、第２発振器６０Ｂによってコイル１０Ｂ，１１Ｂに励磁電流が供給される。第１発振器６０Ａ及び第２発振器６０Ｂは、所定の励磁周波数の交流電流を生成する。
【００５６】
一方の一対のコイル１０Ａ，１１Ａの一方の端子は、それぞれ電気抵抗６１Ａａ、６１Ａｂを介して第１発振器６０Ａと電気的に接続される。また、コイル１０Ａ，１１Ａの他方の端子は接地される。同様に、他方の一対のコイル１０Ｂ，１１Ｂの一方の端子は、それぞれ電気抵抗６１Ｂａ、６１Ｂｂを介して第２発振器６０Ｂと電気的に接続される。また、コイル１０Ｂ，１１Ｂの他方の端子は接地される。
【００５７】
そして、第１信号処理回路５７Ａは、差動アンプ５１Ａ、整流・平滑回路５２Ａ、ローパスフィルタ５３Ａ及びノイズ除去フィルタ５４Ａを有する。また、第２信号処理回路５７Ｂは、差動アンプ５１Ｂ、整流・平滑回路５２Ｂ、ローパスフィルタ５３Ｂ及びノイズ除去フィルタ５４Ｂを有する。ここで、それぞれのローパスフィルタ５３Ａ、５３Ｂは、それぞれ整流・平滑回路５２Ａ、５２Ｂに組み込んでもよい。
【００５８】
差動アンプ５１Ａは、一方の一対のコイル１０Ａ，１１Ａの出力差、すなわち、コイル１０Ａ，１１Ａの端子電圧の差（端子電圧差）を増幅して出力する。整流・平滑回路５２Ａは、差動アンプ５１Ａの出力を整流、及び平滑して出力する。ノイズ除去フィルタ５４Ａは、整流・平滑回路５２Ａの出力から高周波ノイズ成分を除去して出力する。第１信号処理回路５７Ａ及び第２信号処理回路５７Ｂはいずれも同一の構成なので、第２コイル対２２Ｂの出力信号も、第２信号処理回路５７Ｂによって、第１信号処理回路５７Ａがコイル１０Ａ，１１Ａの出力信号を処理したように処理される。
【００５９】
本実施形態によると、インピーダンスを発生する２対のコイルコイル１０Ａ，１１Ａ及び１０Ｂ、１１Ｂを設けたことから、冗長性を増して信頼性を向上させたトルクセンサを備えることができる。
ここで、本実施の形態では、入力軸２が第２の回転軸に対応し、出力軸３が第１の回転軸に対応し、出力軸３の円筒部材８に包囲されたセンサシャフト部３ｂが被包囲部に対応する。
【符号の説明】
【００６０】
１…ハウジング、２…入力軸、３…出力軸、３Ａ…溝、３Ｂ…歯部、４…トーションバー、５ａ，５ｂ…軸受、６…ウォームホイール、６ａ…噛合部、７…電動モータ、７ａ…出力軸、７ｂ…ウォーム、８…円筒部材、８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ…窓、９…ヨーク、１０，１１，１０Ａ，１０Ｂ、１１Ａ，１１Ｂ…コイル、１３…センサケース、１４…制御基板、θ１…一周期角度
【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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