(57)【要約】【課題】発生するトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルを励磁することによりトルクを検出するトルクセンサにおいて、トルク信号として使用すべき周波数成分には影響を与えずに、励磁に起因して発生するノイズを的確に除去できるトルクセンサ及びそれを搭載して脈動感等の不快な振動を低減し、操舵フィーリングを向上させた電動パワーステアリング装置を提供する。【解決手段】回転軸に生じるトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルによりトルクを検出するトルクセンサにおいて、検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、励磁された検出コイルにインピーダンスの変化により発生する信号に基づいてトルクを検出する検出部とを具備し、検出部は、励磁周波数より算出される周波数成分を信号から除去する阻止帯域が狭い励磁成分除去部を備える。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に生じるトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルにより前記トルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、
励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、
前記検出部は、前記励磁周波数より算出される周波数成分を前記信号から除去する阻止帯域が狭い励磁成分除去部を備えることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記励磁成分除去部は、前記励磁周波数の少なくとも１つの整数倍の周波数成分を除去する請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
前記励磁成分除去部は、少なくとも１つのノッチフィルタで構成される請求項１又は２に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
前記検出部は、前記励磁成分除去部の他に、カットオフ周波数が前記励磁周波数以下であるローパスフィルタを少なくとも１つ備えている請求項１乃至３のいずれかに記載のトルクセンサ。
【請求項５】
回転軸に生じるトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルにより前記トルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、
励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、
前記検出部は、前記信号から前記励磁周波数より算出される周波数成分を除去する位相遅れ補償フィルタで構成された励磁成分除去部を備えることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項６】
前記励磁成分除去部は、前記励磁周波数の少なくとも１つの整数倍の周波数成分を除去する請求項５に記載のトルクセンサ。
【請求項７】
前記検出部は、前記励磁成分除去部の他に、カットオフ周波数が前記励磁周波数以下であるローパスフィルタを少なくとも１つ備えている請求項５又は６に記載のトルクセンサ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のトルクセンサを搭載してい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搭載し、車両の操舵系にモータによるアシスト力を付与するようにした電動パワーステアリング装置に関する。特に、発生するトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルによりトルクを検出するトルクセンサにおいて、励磁された検出コイルにインピーダンスの変化により発生する信号から特定の周波数のノイズを除去できるようにしたトルクセンサ及びそれを搭載した電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の操舵系をモータの回転力でアシスト制御する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）は、モータの駆動力で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操舵補助力を付与するようになっている。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、アシスト制御のトルク（操舵補助トルク）を正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値（電流指令値）とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にＰＷＭ制御のデュ−ティの調整で行っている。【０００３】
電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図１に示して説明すると、ハンドル１のコラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）２は減速ギア３、ユニバーサルジョイント４ａ及び４ｂ、ピニオンラック機構５、タイロッド６ａ，６ｂを経て、更にハブユニット７ａ，７ｂを介して操向車輪８Ｌ，８Ｒに連結されている。また、コラム軸２には、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、ハンドル１の操舵力を補助するモータ２０が減速ギア３を介してコラム軸２に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）３０には、バッテリ１３から電力が供給されると共に、イグニションキー１１を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット３０は、トルクセンサ１００で検出された操舵トルクＴｈと車速センサ１２で検出された車速Ｖｅｌとに基づいて、アシスト指令となる電流指令値の演算を行い、演算された電流指令値に補償等を施した電圧制御値Ｖｒｅｆによってモータ２０に供給する電流を制御する。操舵角を検出する舵角センサ１４は必須のものではなく、配設されていなくても良く、モータ２０に連結されたレゾルバ等の回転センサから得ることもできる。【０００４】
コントロールユニット３０には、車両の各種情報を授受するＣＡＮ（Controller  Area  Network）４０が接続されており、車速ＶｅｌはＣＡＮ４０から受信することも可能である。また、コントロールユニット３０には、ＣＡＮ４０以外の通信、アナログ／ディジタル信号、電波等を授受する非ＣＡＮ４１も接続可能である。【０００５】
このような電動パワーステアリング装置において、コントロールユニット３０は主としてＣＰＵ（ＭＰＵやＭＣＵを含む）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、例えば図２に示されるような構成となっている。【０００６】
図２を参照してコントロールユニット３０の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ１００からの操舵トルクＴｈ及び車速センサ１２からの車速Ｖｅｌは電流指令値演算部３１に入力され、電流指令値演算部３１は操舵トルクＴｈ及び車速Ｖｅｌに基づいて、アシストマップ等を用いて電流指令値Ｉｒｅｆ１を演算する。演算された電流指令値Ｉｒｅｆ１は加算部３２Ａで、特性を改善するための補償部３４からの補償信号ＣＭと加算され、加算された電流指令値Ｉｒｅｆ２が電流制限部３３で最大値を制限され、最大値を制限された電流指令値Ｉｒｅｆｍが減算部３２Ｂに入力され、モータ電流検出値Ｉｍと減算される。【０００７】
減算部３２Ｂでの減算結果である偏差Ｉ（＝Ｉｒｅｆｍ−Ｉｍ）はＰＩ（比例積分）制御部３５でＰＩ制御され、ＰＩ制御された電圧制御値ＶｒｅｆがＰＷＭ制御部３６に入力され、キャリア信号ＣＦに同期してデューティを演算され、ＰＷＭ信号でインバータ３７を介してモータ２０をＰＷＭ駆動する。モータ２０のモータ電流値Ｉｍはモータ電流検出器３８で検出され、減算部３２Ｂに入力されてフィードバックされる。【０００８】
補償部３４は、検出若しくは推定されたセルフアライニングトルク（ＳＡＴ）３４３を加算部３４４で慣性補償値３４２と加算し、その加算結果に更に加算部３４５で収れん性制御値３４１を加算し、その加算結果を補償信号ＣＭとして加算部３２Ａに入力し、電流指令値の特性改善を行う。【０００９】
このように電動パワーステアリング装置は、操舵トルクＴｈを検出するためのトルクセンサ１００を搭載している。トルクセンサとしては、トルクに比例したトーションバーの捩れを検出コイルのインダクタンスの変化に変換し、その変化を１対の検出コイルと抵抗体で構成されるブリッジ回路で検出するものがある（例えば特許第３６４９０５７号公報（特許文献１）や特許第３６４９０６９号公報（特許文献２））。トルクセンサの概略の構造及び動作を以下に説明する。【００１０】
図３はトルクセンサ１００を含む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４はトルクセンサ１００の一部断面斜視図である。図３及び図４において、１１０ａ及び１１０ｂはハウジングであり、入力軸側１１０ａ及び出力軸側１１０ｂの２分割構造となっている。ハウジング１１０ａ及び１１０ｂの内部には、コラム軸２の入力軸２ａ、その内部に配置されたトーションバー１１１、トーションバー１１１を介して入力軸２ａに連結された出力軸２ｂが、軸受１１２ａ、１１２ｂ及び１１２ｃによって回転自在に支持されている。入力軸２ａ、トーションバー１１１及び出力軸２ｂは同軸に配置されており、入力軸２ａとトーションバー１１１とはスプライン結合し、トーションバー１１１と出力軸２ｂもスプライン結合している。また、出力軸２ｂにはピニオン軸１１３が一体的に形成されており、ピニオン軸１１３はラック１１４と噛合してラックアンドピニオン式ステアリング機構を構成している。【００１１】
なお、コラム式電動パワーステアリング装置においても、ピニオン軸１１３がコラム軸を呈しており、ほぼ同様な構造である。【００１２】
出力軸２ｂには、これと同軸で且つ一体に回転するウォームホイール１１５が固着されており、モータ２０で駆動されるウォーム１１６と噛合している。モータ２０の回転力は、ウォーム１１６及びウォームホイール１１５を介して出力軸２ｂ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２ｂに任意の方向の操舵補助トルクが付与される。【００１３】
次に、トルクセンサ１００のトルク検出部の構成を説明する。トルク検出部は入力軸２ａのセンサシャフト部１２０と、ハウジング１１０ａの内側に配置された１対の検出コイルＬ１，Ｌ２と、両者の間に配置された円筒部材１２１とから構成される。センサシャフト部１２０の表面には、軸方向に延びた複数の凸条１２１ａが円周方向に沿って等間隔に形成されており、凸条１２１ａの間にはその幅よりも幅広の溝部１２１ｂが形成されている。また、センサシャフト部１２０の外側には、導電性で且つ非磁性の材料で構成された円筒部材１２１が同軸に配置されており、円筒部材１２１の延長部１２１ｅは出力軸２ｂの端部２ｅの外側に固定されている。円筒部材１２１には、凸条１２１ａに対向する位置に、円周方向に等間隔に配置された複数個の長方形の窓１２３から成る第１の窓列と、第１の窓列から軸方向にずれた位置に、円周方向の位相が異なる複数個の長方形の窓１２４から成る第２の窓列とが設けられている。【００１４】
円筒部材１２１の外周は、検出コイルＬ１及びＬ２が捲回されたヨーク１２５で包囲されている。即ち、検出コイルＬ１及びＬ２は円筒部材１２１と同軸に配置され、検出コイルＬ１は第１の窓列部分を包囲し、検出コイルＬ２は第２の窓列部分を包囲する。ヨーク１２５はハウジング１１０ａの内部に固定され、検出コイルＬ１及びＬ２のリード線は、ハウジング１１０ａの内部に配置されたトルクセンサ回路（回路基板）１５０に接続される。【００１５】
操舵系が直進状態にあって操舵トルクＴｈが零である場合はトーションバー１１１には捩れが発生せず、入力軸２ａと出力軸２ｂとは相対回転しない。従って、入力軸２ａの側にあるセンサシャフト部１２０の表面の凸条１２１ａと、出力軸２ｂの側にある円筒部材１２１との間にも相対回転が生じない。一方、ハンドル１を操舵して入力軸２ａに回転力が加わると、その回転力はトーションバー１１１を経て出力軸２ｂに伝達される。このとき、出力軸２ｂには舵輪と路面との間の摩擦力や出力軸２ｂに結合されているギアの噛み合い等の摩擦力が作用するから、入力軸２ａと出力軸２ｂとの間を結合するトーションバー１１１に捩れが発生し、凸条１２１ａと円筒部材１２１との間に相対回転が生ずる。【００１６】
図５は、操舵トルクＴｈの大きさと検出コイルＬ１のインダクタンスＬ１ｉ及び検出コイルＬ２のインダクタンスＬ２ｉの変化例を示す特性図であり、互いに逆方向にインピーダンスが変化する。つまり、右操舵トルク発生時は、円筒部材１２１が時計方向に回転するから、操舵トルクＴｈが増大するに従って検出コイルＬ１のインダクタンスＬ１ｉは増加し、検出コイルＬ２のインダクタンスＬ２ｉは減少する。また、左操舵トルク発生時は、円筒部材１２１が反時計方向に回転するから、操舵トルクＴｈが増大するに従って検出コイルＬ１のインダクタンスＬ１ｉは減少し、検出コイルＬ２のインダクタンスＬ２ｉは増加する。【００１７】
図６は、トルクセンサ１００とコントロールユニット（ＥＣＵ）３０の電気的な接続関係を示しており、トルクセンサ１００は１対の検出コイルＬ１，Ｌ２とトルクセンサ回路１５０とで構成され、検出コイルＬ１，Ｌ２とトルクセンサ回路１５０とはピンＰ１〜Ｐ４を介して接続されている。トルクセンサ回路１５０とコントロールユニット３０とは接地部ＴＳ−ＧＮＤ（グランド）で共通接続されると共に、コントロールユニット３０からトルクセンサ回路１５０へ回路用の電源電圧ＴＳ−Ｖｃｃ、定電圧用の基準電圧ＴＳ−Ｖｒｅｆが供給され、トルクセンサ回路１５０からコントロールユニット３０へメイントルク信号ＴＳ−Ｍａｉｎ及びサブトルク信号ＴＳ−Ｓｕｂが入力される。【００１８】
図７はトルクセンサ回路１５０の構成例を示しており、操舵トルクＴｈを検出するブリッジ回路は、検出コイルＬ１及び抵抗Ｚ１が直列に接続された第１アームと、検出コイルＬ２及び抵抗Ｚ２が直列に接続された第２アームとから構成されている。発振部１５２は検出コイルＬ１，Ｌ２を励磁させるために所定の周波数（励磁周波数）の交流電圧を発振出力し、交流電圧は電流増幅部１５１で増幅され、増幅された交流電圧Ｖｏｓｃが第１のアーム及び第２のアームに供給される。なお、トルクが作用していない状態で、ブリッジ回路の第１アーム及び第２アームに等しい電流が流れて検出コイルＬ１の端部（ピン）Ｐ１の電圧Ｖ１と、検出コイルＬ２の端部（ピン）Ｐ３の電圧Ｖ２とが等しくなるように、予め検出コイルＬ１及びＬ２の特性を揃えておく。【００１９】
検出コイルＬ１の接合点Ｐ１の電圧Ｖ１と、検出コイルＬ２の接合点Ｐ３の電圧Ｖ２は、メイン増幅全波整流部１５３に入力され、その差分の電圧信号に変換されて増幅されると共に整流され、更にメイン平滑中立調整部１５５で出力波形が調整された後、ノイズフィルタ１６３を経てメイントルク信号ＴＳ−Ｍａｉｎとして出力される。また、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２は、サブ増幅全波整流部１５４にも入力され、その差分の電圧信号に変換されて増幅されると共に整流され、更にサブ平滑中立調整部１５６で出力波形が調整された後、ノイズフィルタ１６３を経てサブトルク信号ＴＳ−Ｓｕｂとして出力される。メイントルク信号ＴＳ−Ｍａｉｎが操舵トルクＴｈとなる。【００２０】
メイン増幅全波整流部１５３及びメイン平滑中立調整部１５５とサブ増幅全波整流部１５４及びサブ平滑中立調整部１５６と２組設けて２組のトルク信号（メイントルク信号ＴＳ−Ｍａｉｎ、サブトルク信号ＴＳ−Ｓｕｂ）を出力するようにしているのは、コントロールユニット３０においてこの２組の検出トルク信号を比較することで、検出コイルの断線や短絡、回路要素の故障等を検出するためである。よって、故障等の検出が不要の場合、サブ増幅全波整流部１５４及びサブ平滑中立調整部１５６を削除しても良い。【００２１】
なお、図６及び図７では、トルクセンサ回路１５０はコントロールユニット３０から独立して存在しているが、トルクセンサ回路１５０をコントロールユニット３０内に含ませても良い。【００２２】
ノイズフィルタ１６３は高周波ノイズ等を除去するために通常ローパスフィルタとして構成されているが、トルク信号には種々のノイズが重畳し、従来のノイズフィルタだけでは十分除去できないことがある。そのために、除去するノイズを特定し、そのノイズの特性に応じて除去する方法が提案されている。【００２３】
例えば、特開２０１０−１９０６７４号公報（特許文献３）及び特許第５４５４６９１号公報（特許文献４）では、トルクセンサの不具合対策のために検出系統を冗長化し、検出コイルの対を２組備えているが、それぞれの検出コイル対を励磁する励磁周波数の差に起因するビート周波数で発振するＡＭ変調ノイズが発生するために、そのノイズ除去に特化したローパスフィルタを設けている。特許第５４５６５７６号公報（特許文献５）では、パワーステアリング装置の構造物又は車両前部構造物の機械共振による振動を抑制するために、バンドカットフィルタ又はノッチフィルタを使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特許第３６４９０５７号公報
【特許文献２】特許第３６４９０６９号公報
【特許文献３】特開２０１０−１９０６７４号公報
【特許文献４】特許第５４５４６９１号公報
【特許文献５】特許第５４５６５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかしながら、トルク信号には励磁に起因して発生するノイズも重畳される。即ち、例えば励磁周波数が１０ｋＨｚの交流電圧で検出コイルを励磁した場合、トルクが作用していない状態では、全波整流された電圧信号は図８のような時系列波形となる。この信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）すると、振幅スペクトルは図９のようになり、励磁周波数の２倍である２０ｋＨｚに大きなノイズスペクトルが現れる。このノイズがトルク信号に悪影響を及ぼす。このノイズを従来のローパスフィルタ（ＬＰＦ）のノイズフィルタにより除去しようとすると、トルク信号として使用すべき周波数（１００Ｈｚ前後）以下の振幅や位相を減衰し過ぎてしまうために、トルク信号が不安定となり、電動パワーステアリング装置の動作に悪影響を及ぼす。特許文献３〜５の方法でも本ノイズには対応できていない。【００２６】
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、発生するトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルを励磁することによりトルクを検出するトルクセンサにおいて、トルク信号として使用すべき周波数成分には影響を与えずに、励磁に起因して発生するノイズを的確に除去できるトルクセンサ及びそれを搭載して脈動感等の不快な振動を低減し、操舵フィーリングを向上させた電動パワーステアリング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明は、回転軸に生じるトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルにより前記トルクを検出するトルクセンサに関し、本発明の上記目的は、前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、前記検出部は、前記励磁周波数より算出される周波数成分を前記信号から除去する阻止帯域が狭い励磁成分除去部を備えることにより達成される。【００２８】
また、本発明の上記目的は、前記励磁成分除去部は、前記励磁周波数の少なくとも１つの整数倍の周波数成分を除去することにより、或いは、前記励磁成分除去部は、少なくとも１つのノッチフィルタで構成されることにより、或いは、前記検出部は、前記励磁成分除去部の他に、カットオフ周波数が前記励磁周波数以下であるローパスフィルタを少なくとも１つ備えていることにより、より効果的に達成される。【００２９】
本発明の上記目的は、前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、前記検出部は、前記信号から前記励磁周波数より算出される周波数成分を除去する位相遅れ補償フィルタで構成された励磁成分除去部を備えることにより達成される。【００３０】
また、本発明の上記目的は、前記励磁成分除去部は、前記励磁周波数の少なくとも１つの整数倍の周波数成分を除去することにより、或いは、前記検出部は、前記励磁成分除去部の他に、カットオフ周波数が前記励磁周波数以下であるローパスフィルタを少なくとも１つ備えていることにより、より効果的に達成される。【００３１】
また、上記トルクセンサを搭載することにより、脈動感等の不快な振動を低減し、操舵フィーリングを向上させた電動パワーステアリング装置を達成できる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明に係るトルクセンサによれば、励磁周波数より算出される周波数成分のみを除去する機能を有しているので、検出コイルを励磁することにより発生するノイズを、トルク信号として使用すべき周波数成分には影響を与えずに的確に除去することができる。【００３３】
また、本発明に係るトルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置によれば、トルク信号として使用すべき周波数成分の振幅と位相を減衰し過ぎることがないので、安定した動作が可能で、脈動感等の不快な振動を低減でき、操舵フィーリングを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】電動パワーステアリング処置の概要を示す構成図である。
【図２】電動パワーステアリング装置の制御系の構成例を示すブロック図である。
【図３】トルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置の断面構造図である。
【図４】トルクセンサの一部断面斜視図である。
【図５】トルクセンサのインダクタンスの出力例を示す特性図である。
【図６】トルクセンサとコントローラの接続関係を示すブロック図である。
【図７】従来のトルクセンサ回路の一例を示すブロック図である。
【図８】トルクが作用していない状態での全波整流された電圧信号の波形例を示す図である。
【図９】トルクが作用していない状態での全波整流された電圧信号の振幅スペクトル例を示す図である。
【図１０】ノッチフィルタの構成例を示すアナログ回路図である。
【図１１】本発明の構成例（第１実施形態）を示すブロック図である。
【図１２】ノッチフィルタと従来のフィルタの周波数特性を示す図である。
【図１３】本発明の構成例（第２実施形態）を示すブロック図である。
【図１４】本発明の構成例（第３実施形態）を示すブロック図である。
【図１５】位相遅れ補償フィルタと従来のフィルタの周波数特性を示す図である。
【図１６】本発明の構成例（第４実施形態）を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明に係るトルクセンサは、発生するトルクを検出するために１対の検出コイルを所定の励磁周波数で励磁し、その励磁に起因して発生するノイズの除去に特化した励磁成分除去部を備えている。１対の検出コイルを励磁するために発振部が所定の励磁周波数の交流電圧を発振出力するが、検出コイルの各対の電圧の差である電圧信号は図８に示されるように全波整流されるので、図９に示されるように励磁周波数×２の周波数（以下、「全波整流後周波数」と称す）の整数倍の周波数にピークをもつノイズが発生する。励磁成分除去部はこれらのノイズを除去するが、トルク信号として使用すべき周波数以下の周波数成分（以下、「有効周波数成分」と称す）等に影響を与えないようにするために、阻止する周波数の範囲が狭いノッチフィルタ、又は有効周波数成分での特性がフラットである位相遅れ補償フィルタ（２次フィルタ）を使用する。ノッチフィルタ又は位相遅れ補償フィルタは特定の周波数成分を除去するように設計されるので、複数の周波数成分を除去する場合は、除去する周波数成分の数だけのノッチフィルタ又は位相遅れ補償フィルタで励磁成分除去部を構成する。また、ノッチフィルタ又は位相遅れ補償フィルタをマイコン等で動作するプログラムで実現するのは、演算負荷が大きいために実用的ではないので、コンデンサ、抵抗、オペアンプ（演算増幅器）、スイッチング素子等を用いたアナログ回路やＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等で実現する。例えば、ノッチフィルタをアナログ回路で実現する場合、図１０に示されるような構成となる。図１０において、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は抵抗、Ｃ１，Ｃ２はコンデンサ、ＯＰ１，ＯＰ２はオペアンプである。ノッチフィルタ又は位相遅れ補償フィルタを使用することにより、励磁に起因して発生するノイズに特化したノイズ除去を行うことができる。また、他の周波数成分等には影響を与えずにノイズ除去を行うことができるので、有効周波数成分を減衰し過ぎることがなく、本発明のトルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置の安定動作が可能となり、脈動感等の不快な振動も低減でき、操舵フィーリングを向上することができる。なお、ノッチフィルタを使用する場合、コストを抑えるべく、ノッチフィルタの代わりにノッチフィルタよりもやや阻止帯域が広いバンドストップフィルタを使用しても良い。
【００３６】
励磁に起因して発生するノイズ以外のノイズについては、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）で除去する。ローパスフィルタのカットオフ周波数は励磁周波数以下を設定するが、有効周波数成分を減衰し過ぎないような周波数にする。また、特許文献３のような特定のノイズを除去したい場合等においては、複数のローパスフィルタを使用しても良い。ローパスフィルタはマイコン等で動作するプログラムで実現可能なものもあるが、アナログ回路やＤＳＰで実現しても良い。
【００３７】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００３８】
先ずは、ノッチフィルタを使用する場合について説明する。
【００３９】
図１１は本発明に係るトルクセンサの構成例（第１実施形態）を、従来の図７と対応させて示している。本実施形態では、ノイズフィルタ１６３に代わり、励磁成分除去部１７１及びローパスフィルタ１７２を具備している。検出部１７０は、回路要素１６１、定電圧供給部１６２、電流増幅部１５１、メイン増幅全波整流部１５３、サブ増幅全波整流部１５４、メイン平滑中立調整部１５５、サブ平滑中立調整部１５６、励磁成分除去部１７１、ローパスフィルタ１７２及び抵抗Ｚ１，Ｚ２より構成される。
【００４０】
励磁成分除去部１７１はノッチフィルタで構成され、メイン平滑中立調整部１５５及びサブ平滑中立調整部１５６が出力する電圧信号から所定の周波数成分を除去する。ローパスフィルタ１７２は、励磁成分除去部１７１が出力する電圧信号の所定の周波数以上の周波数成分を減衰させる。
【００４１】
このような構成のトルクセンサの動作例について説明する。なお、図１１において、図７に示される従来のトルクセンサと同一構成については同一符号を付しており、動作は同じであるから説明は省略する。
【００４２】
メイン平滑中立調整部１５５から出力された電圧信号ＶＳ１ｒ及びサブ平滑中立調整部１５６から出力された電圧信号ＶＳ２ｒは励磁成分除去部１７１に入力される。
【００４３】
励磁成分除去部１７１は下記数１の伝達関数で表される周波数特性をもつノッチフィルタ（２次フィルタ）で構成されており、電圧信号ＶＳ１ｒ及びＶＳ２ｒから全波整流後周波数ｆｅの周波数成分（全波整流後周波数成分）を除去する。
【００４４】
【数１】
2016129572.tif 000003
ここで、ωｎ１＝ωｄ１＝２π×ｆｅで、sはラプラス演算子、ζｎ１，ζｄ１は減衰係数である。全波整流後周波数ｆｅを２０ｋＨｚ（励磁周波数は１０ｋＨｚ）、減衰係数ζｎ１を０．０２５、ζｄ１を１．０とした場合のノッチフィルタの振幅特性及び位相特性は、図１２（Ａ）及び（Ｂ）の実線のようになる。本ノッチフィルタと同じ全波整流後周波数成分の除去を従来のフィルタ（１次のローパスフィルタ）で実現した場合の振幅特性及び位相特性は図１２（Ａ）及び（Ｂ）の破線のようになる。ノッチフィルタと同じ効果を得るために、全波整流後周波数での振幅特性が同じとなるように設計されており、カットオフ周波数は５００Ｈｚとなっている。両フィルタの位相特性を比較すると、トルク信号として使用すべき周波数（１００Ｈｚ）での位相特性は、ノッチフィルタでは−０．４８［ｄｅｇ］で、従来のフィルタでは−１１．３［ｄｅｇ］となっており、ノッチフィルタを使用した場合、有効周波数成分への影響を大幅に軽減できることがわかる。ノッチフィルタにより全波整流後周波数成分を除去された電圧信号ＶＳ１ｒ及びＶＳ２ｒは、それぞれ電圧信号ＶＳ１ｆ及びＶＳ２ｆとして出力される。なお、ノッチフィルタの特性は数１で表される特性に限られるものではなく、他の数式で表される特性でも良い。
【００４５】
電圧信号ＶＳ１ｆ，ＶＳ２ｆはローパスフィルタ１７２に入力される。ローパスフィルタ１７２は、カットオフ周波数が励磁周波数以下（例えば８ｋＨｚ）で設計されており、電圧信号ＶＳ１ｆからカットオフ周波数以上の周波数成分を減衰させ、操舵トルクＴｈとしてメイントルク信号ＴＳ−Ｍａｉｎを出力し、同様に電圧信号ＶＳ２ｆからカットオフ周波数以上の周波数成分を減衰させ、サブトルク信号ＴＳ−Ｓｕｂを出力する。
【００４６】
メイントルク信号ＴＳ−Ｍａｉｎ（操舵トルクＴｈ）は、電動パワーステアリング装置に搭載されているモータに供給される電流の制御に使用される。
【００４７】
第１実施形態では、電圧信号は励磁成分除去部１７１、ローパスフィルタ１７２の順で入力される構成となっているが、図１３に示されるように、ローパスフィルタ１７２、励磁成分除去部１７１と逆の順で入力される構成（第２実施形態）としても良い。
【００４８】
次に、位相遅れ補償フィルタを使用する場合について説明する。
【００４９】
図１４は本発明に係るトルクセンサの構成例（第３実施形態）を、従来の図７と対応させて示している。本実施形態では、ノイズフィルタ１６３に代わり、励磁成分除去部２７１及びローパスフィルタ１７２を具備している。検出部２７０は、回路要素１６１、定電圧供給部１６２、電流増幅部１５１、メイン増幅全波整流部１５３、サブ増幅全波整流部１５４、メイン平滑中立調整部１５５、サブ平滑中立調整部１５６、励磁成分除去部２７１、ローパスフィルタ１７２及び抵抗Ｚ１，Ｚ２より構成される。
【００５０】
励磁成分除去部２７１は位相遅れ補償フィルタで構成され、メイン平滑中立調整部１５５及びサブ平滑中立調整部１５６が出力する電圧信号から所定の周波数成分を除去する。ローパスフィルタ１７２は、励磁成分除去部１７１が出力する電圧信号の所定の周波数以上の周波数成分を減衰させる。
【００５１】
このような構成のトルクセンサの動作例について説明する。なお、図１４において、図７に示される従来のトルクセンサと同一構成については同一符号を付しており、動作は同じであるから説明は省略する。
【００５２】
メイン平滑中立調整部１５５から出力された電圧信号ＶＳ１ｒ及びサブ平滑中立調整部１５６から出力された電圧信号ＶＳ２ｒは励磁成分除去部２７１に入力される。
【００５３】
励磁成分除去部２７１は下記数２の伝達関数で表される周波数特性をもつ位相遅れ補償フィルタ（２次フィルタ）で構成されており、電圧信号ＶＳ１ｒ及びＶＳ２ｒから全波整流後周波数ｆｎの周波数成分（全波整流後周波数成分）を除去する。
【００５４】
【数２】
2016129572.tif 000004
ここで、ωｎ２＝２π×ｆｎ、ωｄ２＝２π×ｆｄ（ｆｄ＜ｆｎ）、sはラプラス演算子、ζｎ２及びζｄ２は減衰係数である。全波整流後周波数ｆｎを２０ｋＨｚ（励磁周波数は１０ｋＨｚ）、ｆｄを５ｋＨｚ、減衰係数ζｎ２を０．２、ζｄ２を０．５とした場合の位相遅れ補償フィルタの振幅特性及び位相特性は、図１５（Ａ）及び（Ｂ）の実線のようになる。本位相遅れ補償フィルタと同じ全波整流後周波数成分の除去を従来のフィルタ（１次のローパスフィルタ）で実現した場合の振幅特性及び位相特性は図１５（Ａ）及び（Ｂ）の破線のようになる。位相遅れ補償フィルタと同じ効果を得るために、全波整流後周波数での振幅特性が同じとなるように設計されており、カットオフ周波数は５００Ｈｚとなっている。両フィルタの位相特性を比較すると、トルク信号として使用すべき周波数（１００Ｈｚ）での位相特性は、位相遅れ補償フィルタでは−１．０［ｄｅｇ］で、従来のフィルタでは−１１．３［ｄｅｇ］となっており、位相遅れ補償フィルタを使用した場合、有効周波数成分への影響を大幅に軽減できることがわかる。位相遅れ補償フィルタにより全波整流後周波数成分を除去された電圧信号ＶＳ１ｒ及びＶＳ２ｒは、それぞれ電圧信号ＶＳ１ｆ’及びＶＳ２ｆ’として出力される。なお、位相遅れ補償フィルタの特性は数２で表される特性に限られるものではなく、他の数式で表される特性でも良い。
【００５５】
電圧信号ＶＳ１ｆ’，ＶＳ２ｆ’はローパスフィルタ１７２に入力される。ローパスフィルタ１７２は、カットオフ周波数が励磁周波数以下（例えば８ｋＨｚ）で設計されており、電圧信号ＶＳ１ｆ’からカットオフ周波数以上の周波数成分を減衰させ、操舵トルクＴｈとしてメイントルク信号ＴＳ−Ｍａｉｎを出力し、同様に電圧信号ＶＳ２ｆ’からカットオフ周波数以上の周波数成分を減衰させ、サブトルク信号ＴＳ−Ｓｕｂを出力する。
【００５６】
メイントルク信号ＴＳ−Ｍａｉｎ（操舵トルクＴｈ）は、電動パワーステアリング装置に搭載されているモータに供給される電流の制御に使用される。
【００５７】
第３実施形態では、電圧信号は励磁成分除去部２７１、ローパスフィルタ１７２の順で入力される構成となっているが、第２実施形態と同様に、図１６に示されるように、ローパスフィルタ１７２、励磁成分除去部２７１と逆の順で入力される構成（第４実施形態）としても良い。
【００５８】
なお、第１実施形態及び第２実施形態での励磁成分除去部１７１並びに第３実施形態及び第４実施形態での励磁成分除去部２７１をトルクセンサ回路内ではなく、コントロールユニット３０内に配置し、メイントルク信号ＴＳ−Ｍａｉｎ及びサブトルク信号ＴＳ−Ｓｕｂから所定の周波数成分を除去する構成としても良い。
【００５９】
また、励磁成分除去部１７１は全波整流後周波数成分を除去するノッチフィルタで構成されているが、他の周波数成分、例えば全波整流後周波数の整数倍の周波数成分を除去するためのノッチフィルタを追加した構成としても良い。同様に、励磁成分除去部２７１は全波整流後周波数成分を除去する位相遅れ補償フィルタで構成されているが、他の周波数成分、例えば全波整流後周波数の整数倍の周波数成分を除去するための位相遅れ補償フィルタを追加した構成としても良い。これらの場合、周波数特性は直列の伝達関数で表される。
【００６０】
さらに、トルクセンサとして図４に示されるスリーブ・タイプ以外のタイプ（例えばリングタイプ）のものを使用しても良い。
【符号の説明】
【００６１】
１                      ハンドル
２                      コラム軸（ステアリングシャフト、ハンドル軸）
１２                    車速センサ
１３                    バッテリ
１４                    舵角センサ
２０                    モータ
３０                    コントロールユニット（ＥＣＵ）
３１                    電流指令値演算部
３３                    電流制限部
３４                    補償部
３５                    ＰＩ制御部
３６                    ＰＷＭ制御部
３７                    インバータ
１００                  トルクセンサ
１１１                  トーションバー
１１３                  ピニオン軸
１１５                  ウォームホイール
１１６                  ウォーム
１２０                  センサシャフト部
１５０、１５７、１５８、２５７、２５８  トルクセンサ回路（回路基板）
１５１                  電流増幅部
１５２                  発振部
１５３                  メイン増幅全波整流部
１５４                  サブ増幅全波整流部
１５５                  メイン平滑中立調整部
１５６                  サブ平滑中立調整部
１６３                  ノイズフィルタ
１７０、１７３、２７０、２７３  検出部
１７１、２７１          励磁成分除去部
１７２                  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
【図１】
2016129572.tif 000005
【図２】
2016129572.tif 000006
【図３】
2016129572.tif 000007
【図４】
2016129572.tif 000008
【図５】
2016129572.tif 000009
【図６】
2016129572.tif 000010
【図７】
2016129572.tif 000011
【図８】
2016129572.tif 000012
【図９】
2016129572.tif 000013
【図１０】
2016129572.tif 000014
【図１１】
2016129572.tif 000015
【図１２】
2016129572.tif 000016
【図１３】
2016129572.tif 000017
【図１４】
2016129572.tif 000018
【図１５】
2016129572.tif 000019
【図１６】
2016129572.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月7日(2016.12.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に生じるトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルにより前記トルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、
励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、
前記検出部は、前記励磁周波数より算出される周波数成分を前記信号から除去する阻止帯域が狭い励磁成分除去部を備え、
前記励磁成分除去部はアナログ回路又はＤＳＰで構成されることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記励磁成分除去部は、前記励磁周波数の少なくとも１つの整数倍の周波数成分を除去する請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
前記励磁成分除去部は、少なくとも１つのノッチフィルタで構成される請求項１又は２に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
前記検出部は、前記励磁成分除去部の他に、カットオフ周波数が前記励磁周波数以下であるローパスフィルタを少なくとも１つ備えている請求項１乃至３のいずれかに記載のトルクセンサ。
【請求項５】
回転軸に生じるトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルにより前記トルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、
励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、
前記検出部は、前記信号から前記励磁周波数より算出される周波数成分を除去し、有効周波数成分での特性がフラットな位相遅れ補償フィルタで構成された励磁成分除去部を備え、
前記励磁成分除去部はアナログ回路又はＤＳＰで構成されることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項６】
前記励磁成分除去部は、前記励磁周波数の少なくとも１つの整数倍の周波数成分を除去する請求項５に記載のトルクセンサ。
【請求項７】
前記検出部は、前記励磁成分除去部の他に、カットオフ周波数が前記励磁周波数以下であるローパスフィルタを少なくとも１つ備えている請求項５又は６に記載のトルクセンサ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のトルクセンサを搭載していることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
本発明は、回転軸に生じるトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルにより前記トルクを検出するトルクセンサに関し、本発明の上記目的は、前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、前記検出部は、前記励磁周波数より算出される周波数成分を前記信号から除去する阻止帯域が狭い励磁成分除去部を備え、前記励磁成分除去部はアナログ回路又はＤＳＰで構成されることにより達成される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
本発明の上記目的は、前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、前記検出部は、前記信号から前記励磁周波数より算出される周波数成分を除去し、有効周波数成分での特性がフラットな位相遅れ補償フィルタで構成された励磁成分除去部を備え、前記励磁成分除去部はアナログ回路又はＤＳＰで構成されることにより達成される。
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月15日(2017.3.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に生じるトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルにより前記トルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、
励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、
前記検出部は、前記励磁周波数を２倍した数の少なくとも１つの整数倍の周波数成分を前記信号から除去する阻止帯域が狭い励磁成分除去部を備えることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記励磁成分除去部は、少なくとも１つのノッチフィルタで構成される請求項１に記載のトルクセンサ。
【請求項３】
前記検出部は、前記励磁成分除去部の他に、カットオフ周波数が前記励磁周波数以下であるローパスフィルタを少なくとも１つ備えている請求項１又は２に記載のトルクセンサ。
【請求項４】
回転軸に生じるトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルにより前記トルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、
励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、
前記検出部は、前記信号から前記励磁周波数を２倍した数の少なくとも１つの整数倍の周波数成分を除去し、有効周波数成分での特性がフラットな位相遅れ補償フィルタで構成された励磁成分除去部を備えることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項５】
前記検出部は、前記励磁成分除去部の他に、カットオフ周波数が前記励磁周波数以下であるローパスフィルタを少なくとも１つ備えている請求項４に記載のトルクセンサ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のトルクセンサを搭載していることを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
本発明は、回転軸に生じるトルクに応じてインピーダンスが変化する検出コイルにより前記トルクを検出するトルクセンサに関し、本発明の上記目的は、前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、前記検出部は、前記励磁周波数を２倍した数の少なくとも１つの整数倍の周波数成分を前記信号から除去する阻止帯域が狭い励磁成分除去部を備えることにより達成される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
また、本発明の上記目的は、前記励磁成分除去部は、少なくとも１つのノッチフィルタで構成されることにより、或いは、前記検出部は、前記励磁成分除去部の他に、カットオフ周波数が前記励磁周波数以下であるローパスフィルタを少なくとも１つ備えていることにより、より効果的に達成される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
本発明の上記目的は、前記検出コイルを所定の励磁周波数で励磁する発振部と、励磁された前記検出コイルに前記インピーダンスの変化により発生する信号に基づいて前記トルクを検出する検出部とを具備し、前記検出部は、前記信号から前記励磁周波数を２倍した数の少なくとも１つの整数倍の周波数成分を除去し、有効周波数成分での特性がフラットな位相遅れ補償フィルタで構成された励磁成分除去部を備えることにより達成される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
また、本発明の上記目的は、前記検出部は、前記励磁成分除去部の他に、カットオフ周波数が前記励磁周波数以下であるローパスフィルタを少なくとも１つ備えていることにより、より効果的に達成される。
【国際調査報告】
2016129572.tif 000021
2016129572.tif 000022
2016129572.tif 000023
2016129572.tif 000024
2016129572.tif 000025
2016129572.tif 000026