(57)【要約】【課題】トルク検出精度の高い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】インプットシャフト２ａとアウトプットシャフト２ｂがトーションバー２ｃで連結される場合、例えばインプットシャフト２ａの外周面に軸線方向に沿って連続する凹部１３及び凸部１４を周方向に隣り合わせに交互に形成し、凸部１４の径方向外側には高透磁率部１５を設け、導電性且つ非磁性材料からなる円筒部材１６を凹部１３及び凸部１４を覆うように配設してアウトプットシャフト２ｂに固定し、インプットシャフト２ａとアウトプットシャフト２ｂの相対回転に応じて高透磁率部１５の露出量が変化する窓１７を円筒部材１６に形成し、その窓１７を覆うようにコイル１８を円筒部材１６の外周に配設し、コイル１８の誘導起電力からインプットシャフト２ａ及びアウトプットシャフト２ｂに生じる操舵トルクＴを算出する。【選択図】図３
2013003037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１回転軸と、前記第１回転軸と同軸に配設された第２回転軸と、前記第１回転軸と第２回転軸とを連結するトーションバーと、前記第１回転軸の軸線方向に沿って連続し且つ当該第１回転軸の周方向に隣り合わせに形成された凹部及び凸部と、前記凸部の第１回転軸径方向外側に設けられた高透磁率部と、導電性且つ非磁性材料からなり且つ前記第１回転軸の凹部及び凸部を覆うように配設され且つ前記第２回転軸に固定された円筒部材と、前記第１回転軸と第２回転軸との相対回転に応じて前記高透磁率部の露出量が変化するように前記円筒部材に形成された窓と、前記窓を覆うように前記円筒部材の外周に配設されたコイルと、前記コイルの誘導起電力を検出する起電力検出部と、前記起電力検出部で検出されたコイルの誘導起電力から前記第１回転軸及び第２回転軸に生じるトルクを算出するトルク算出部とを備えたことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記請求項１に記載のトルクセンサをトーションバーで連結されたインプットシャフト及びアウトプットシャフトに取付けて当該インプットシャフト及びアウトプットシャフトに生じるトルクを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、トルクセンサ及び電動パワーステアリング装置に関するものであり、例えば車両の電動パワーステアリング装置のインプットシャフトとアウトプットシャフトに生じるトルクを検出するのに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
このようなトルクセンサとしては、例えば本出願人が先に提案した下記特許文献１に記載されるものがある。この特許文献１では、第１回転軸と第２回転軸がトーションバーで連結される場合、導電性且つ非磁性材料で覆われた第１部と磁性材料で覆われた第２部とを例えば第１回転軸の外周面に周方向に交互に形成すると共に、第１回転軸の第１部及び第２部を覆うように配設された導電性且つ非磁性材料からなる円筒部材を例えば第２回転軸に固定し、第１回転軸と第２回転軸の相対回転に応じて第１部及び第２部の露出量が変化する窓を円筒部材に形成し、その窓を覆うように円筒部材の外周にコイルを配置する。このコイルに交流電流を供給し、コイルに生じる誘導起電力を検出し、その誘導起電力からトルクを算出するようにしている。第１回転軸と第２回転軸に相対回転が生じると、窓に露出する第１部及び第２部の露出量が変化する。第１部は導電性且つ非磁性材料で覆われているので、コイルに面する第１部の露出量が大きくなるとコイルのインダクタンスが減少し、誘導起電力も減少する。一方、第２部は磁性材料で覆われているので、コイルに面する第２部の露出量が大きくなるとコイルのインダクタンスが増大し、誘導起電力も増大する。この誘導起電力の変化から第１回転軸及び第２回転軸に生じるトルクを算出することができる。第１部と第２部を例えば第１回転軸の外周に周方向に交互に形成しておけば、第１部の露出量が増大するときには第２部の露出量は減少し、第１部の露出量が減少するときには第２部の露出量が増大するので、第１回転軸と第２回転軸の相対回転に対する誘導起電力の変化が急峻になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２４０４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば電動パワーステアリング装置では、更に高精度なトルクセンサが要求されている。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、トルク検出精度の高い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ことを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のトルクセンサは、第１回転軸と、前記第１回転軸と同軸に配設された第２回転軸と、前記第１回転軸と第２回転軸とを連結するトーションバーと、前記第１回転軸の軸線方向に沿って連続し且つ当該第１回転軸の周方向に隣り合わせに形成された凹部及び凸部と、前記凸部の第１回転軸径方向外側に設けられた高透磁率部と、導電性且つ非磁性材料からなり且つ前記第１回転軸の凹部及び凸部を覆うように配設され且つ前記第２回転軸に固定された円筒部材と、前記第１回転軸と第２回転軸との相対回転に応じて前記高透磁率部の露出量が変化するように前記円筒部材に形成された窓と、前記窓を覆うように前記円筒部材の外周に配設されたコイルと、前記コイルの誘導起電力を検出する起電力検出部と、前記起電力検出部で検出されたコイルの誘導起電力から前記第１回転軸及び第２回転軸に生じるトルクを算出するトルク算出部とを備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の電動パワーステアリング装置は、前記トルクセンサをトーションバーで連結されたインプットシャフト及びアウトプットシャフトに取付けて当該インプットシャフト及びアウトプットシャフトに生じるトルクを検出することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
而して、本発明のトルクセンサによれば、第１回転軸と第２回転軸との相対回転に応じてコイルに面する凸部の高透磁率部の露出面積が変化するので、コイルのインダクタンス及び誘導起電力が変化し、この誘導起電力から第１回転軸及び第２回転軸に生じるトルクを算出することで、トルクを高精度に検出することができる。
また、本発明の電動パワーステアリング装置によれば、トルクセンサで高精度に検出されたトルクを用いてより高精度なアシストトルク制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のトルクセンサを用いた電動パワーステアリング装置の一実施形態を示す構成図である。
【図２】図１の電動パワーステアリング装置のトルクセンサの構成図である。
【図３】図２のトルクセンサのトルク検出部の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明のトルクセンサ及び電動パワーステアリング装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の電動パワーステアリング装置の構成図である。図中の符号１は、ステアリングシャフト２の車両後方端部に取付けられたステアリングホイールである。ステアリングシャフト２は、ステアリングホイール１が取付けられるインプットシャフト（第１回転軸）２ａと、トーションバー２ｃ（図２参照）を介してインプットシャフト２ａに連結されたアウトプットシャフト（第２回転軸）２ｂを備えて構成される。
【００１０】
ステアリングシャフト２のアウトプットシャフト２ｂの下端部にはユニバーサルジョイント４を介してロアシャフト５が連結され、ロアシャフト５の車両前方端部にはユニバーサルジョイント６を介してピニオンシャフト７が連結される。ピニオンシャフト７にはピニオン８ａが連結され、ピニオン８ａはラック８ｂと噛合し、ラック８ｂにはタイロッド９が連結されている。このピニオン８ａとラック８ｂでラックアンドピニオン形式のステアリングギヤ機構８が構成され、ステアリングホイール１からステアリングシャフト２、ロアシャフト５、ピニオンシャフト７に伝達された操舵に伴う回転運動をタイロッド９の直進運動に変換する。
【００１１】
ステアリングシャフト２のアウトプットシャフト２ｂには、アシストトルク（操舵補助力）を付与するアシストトルク機構１０が設けられている。このアシストトルク機構１０は、アウトプットシャフト２ｂに連結した減速ギヤ機構１１と、この減速ギヤ機構１１に連結されてアシストトルクを発生する電動モータ１２を備えて構成される。電動モータ１２には、例えばブラシレス電動モータなどが採用される。
【００１２】
ステアリングシャフト２には、後段に詳述するトルクセンサ３１が設けられ、このトルクセンサ３１で検出した操舵トルクＴと走行速度センサ３２で検出した走行速度Ｖに基づいてコントローラ３３内のモータ駆動部３４でアシストトルク電流指令値を算出し、算出したアシストトルク電流指令値とモータ駆動電流の差分値を例えば比例−微分制御して電圧指令値を算出し、算出した電圧指令値に基づいてモータ駆動電圧を制御することにより、モータ電流を電動モータ１２に供給してアシストトルクを発生する。このアシストトルクは減速ギヤ機構１１を介してステアリングシャフト２のアウトプットシャフト２ｂに伝達され、これによりステアリングホイール１を軽く操舵することができる。
【００１３】
図２は、トルクセンサ３１及びコントローラ３３内に設けられたトルク検出部の構成図である。トーションバー２ｃは、図の右方端部でインプットシャフト２ａに連結され、図の左方端部でアウトプットシャフト２ｂに連結されており、トーションバー２ｃの多くの部分がインプットシャフト２ａに内装されている。このトーションバー２ｃを内装するインプットシャフト２ａのアウトプットシャフト２ｂ側端部外周には、図３の縦断面図に示すようなスプライン状或いはセレーション状の凹部１３と凸部１４が周方向に隣り合わせに交互に等配に設けられている。この凹部１３と凸部１４はスプライン状或いはセレーション状であるから、インプットシャフト２ａの軸線方向に連続している。更に、凸部１４のインプットシャフト２ａ径方向外側には、例えばパーマロイなどの高透磁率部材で構成される高透磁率部１５が設けられている。なお、本実施例ではインプットシャフト２ａの外周面に凹部１３及び凸部１４を一体に形成しているが、凹部１３も凸部１４も、例えばインプットシャフト２ａと別体であってもよい。但し、インプットシャフト２ａと同期して回転する必要がある。また、凹部１３及び凸部１４をアウトプットシャフト２ｂに設けてもよい。但し、その場合、後述する円筒部材をインプットシャフト２ａに固定する必要がある。
【００１４】
また、アウトプットシャフト２ｂのインプットシャフト２ａ側端部には、前記インプットシャフト２ａの凹部１３及び凸部１４を覆うように当該インプットシャフト２ａの外周に配設される円筒部材１６が固定されている。円筒部材１６は、導電性で且つ非磁性材料で構成されている。また、円筒部材１６の外周には、軸線方向に離した２つのコイル１８が設けられている。円筒部材１６のコイル１８に面する部分には、複数の窓１７が形成されている。図３ａは、例えば図２の図示左方のコイル１８の部分の縦断面、図３ｂは、例えば図２の図示右方のコイル１８の部分の縦断面であるとすると、複数の窓１７は、凹部１３又は凸部１４のピッチと同じピッチで形成されているが、夫々のコイル１８の部分で位相をずらして形成されている。
【００１５】
図３ａに示す図２の図示左方のコイル１８の部分でも、図３ｂに示す図２の図示右方のコイル１８の部分でも、図では凸部１４の径方向外側に設けられた個々の高透磁率部１５が全外周表面の半分だけ窓１７に露出している。この状態で円筒部材１６、即ちアウトプットシャフト２ｂを固定し、凹部１３及び凸部１４、即ちインプットシャフト２ａを時計回り方向に回転すると、図３ａに示す円筒部材１６の窓１７では凸部１４、即ち高透磁率部１５の露出面積（露出量）が小さくなり、図３ｂに示す円筒部材１６の窓１７では凸部１４、即ち高透磁率部１５の露出面積（露出量）が大きくなる。一方、アウトプットシャフト２ｂを固定し、インプットシャフト２ａを反時計回り方向に回転すると、図３ａに示す円筒部材１６の窓１７では凸部１４、即ち高透磁率部１５の露出面積（露出量）が大きくなり、図３ｂに示す円筒部材１６の窓１７では凸部１４、即ち高透磁率部１５の露出面積（露出量）が小さくなる。
【００１６】
窓１７に露出する高透磁率部１５はコイル１８に面しているので、前記特許文献１にも記載されるように、コイル１８に面する高透磁率部１５の露出量が大きくなるとコイル１８の自己インダクタンスが大きくなり、交流電流を供給したときの自己誘導起電力も大きくなる。逆に、コイル１８に面する高透磁率部１５の露出量が小さくなるとコイル１８の自己インダクタンスが小さくなり、交流電流を供給したときの自己誘導起電力もちいさくなる。アウトプットシャフト２ｂとインプットシャフト２ａの相対回転は２つのコイル１８の部分でほぼ同等に発生するので、アウトプットシャフト２ｂに対してインプットシャフト２ａを時計回り方向に回転するほど、つまり当該方向へのトルクが大きいほど、図３ａに示すコイル１８は自己誘導起電力が小さくなり、図３ｂに示すコイル１８は自己誘導起電力が大きくなる。また、アウトプットシャフト２ｂに対してインプットシャフト２ａを反時計回り方向に回転するほど、つまり当該方向へのトルクが大きいほど、図３ａに示すコイル１８は自己誘導起電力が大きくなり、図３ｂに示すコイル１８は自己誘導起電力が小さくなる。
【００１７】
各コイル１８の自己誘導起電力からトルクを検出するトルク検出部は、２つのコイル１８に所定周波数の交流電流を同時に供給する発振部１９、個々のコイル１８の自己誘導起電力を整流及び平滑して出力する整流・平滑回路２０、２つの整流・平滑回路２０の出力の差分値を増幅して出力する２つの差動アンプ２１、個々の差動アンプ２１の出力から高周波ノイズ成分を除去するノイズ除去フィルタ２２、２つのノイズ除去フィルタ２２の出力の例えば平均値に基づいてインプットシャフト２ａ及びアウトプットシャフト２ｂに発生しているトルク、即ち操舵トルクＴを算出するトルク算出部２３を備え、前記モータ駆動部３４はトルク算出部２３で算出された操舵トルクＴに基づいたアシストトルクが発生するように電動モータ１２を駆動する。操舵トルクＴの算出方法としては、２つのノイズ除去フィルタ２２の出力の例えば平均値に基づいて、例えば凹部１３及び凸部、即ちインプットシャフト２ａ及び円筒部材１６、即ちアウトプットシャフト２ｂの相対回転変位の方向及び大きさを算出し、その結果に、例えば所定の比例定数を乗じて求めることができる。
【００１８】
このトルク検出部では、前述のように、インプットシャフト２ａとアウトプットシャフト２ｂの相対回転、即ち操舵トルクの方向によって互いに逆方向に変化する２つのコイル１８の自己誘導起電力の差分値を差動アンプ２１で求めているため、差動アンプ２１の出力は操舵トルクの方向及び大きさに応じてリニアに変化する。また、差動アンプ２１で整流・平滑回路２１の差分値を求めているため、温度などによる自己インダクタンスの変化はキャンセルされる。
【００１９】
前記特許文献１に記載されるトルクセンサでは、センサとしての感度が性能として満たない場合には、後段の信号処理回路部で条件に応じて最適値まで増幅させる必要がある。その弊害として、センサ感度のみならず、トルク検出部への外乱（磁気、電波、環境など）による電気信号への影響までも増幅してしまい、検出精度の低下が懸念されるため、できる限り信号増幅に頼らず、センサ感度そのものを向上させなくてはならないといった課題があった。
【００２０】
本実施形態では、一方の回転軸の凸部１４に高透磁率部１５を配置することで、回転軸の自発磁化が強化され、トルク検出感度が向上する。また、コイル１８に発生した磁束によって発生した円筒部材１６、即ち導電性且つ非磁性部材に流れる渦電流量を増やすことなく、一方の回転軸の自発磁化量を増加させることができ、効率よくコイル１８の自己インダクタンス変化に反映させることが可能となるため、トルクセンサ感度の向上、トルクセンサ精度の向上、耐ノイズ性の向上、耐環境性の向上が図れる。
【００２１】
また、凸部１４のみを磁性体とすればよいため、設計上の制約が減り、荷重がかかる部分などは構造体として、仕様、コストの面で最適な材質を選択することができる。
このように本実施形態では、インプットシャフト（第１回転軸）２ａとアウトプットシャフト（第２回転軸）２ｃとの相対回転に応じてコイル１８に面する凸部１４の高透磁率部１５の露出面積が変化するので、コイル１８のインダクタンス及び誘導起電力が変化し、この誘導起電力からインプットシャフト（第１回転軸）２ａ及びアウトプットシャフト（第２回転軸）２ｃに生じる操舵トルクＴを算出することで、操舵トルクＴを高精度に検出することができる。
【００２２】
また、このようにトルクセンサで高精度に検出された操舵トルクＴを用いてより高精度なアシストトルク制御が可能となる。
なお、前述のように、円筒部材１６をインプットシャフト２ａに設け、凹部１３及び凸部１４及び高透磁率部１５をアウトプットシャフト２ｂに設けてもよい。つまり、インプットシャフト２ａ、アウトプットシャフト２ｂの何れが本発明の第１回転軸、第２回転軸であってもよい。
【００２３】
また、前述のように、コイル１８が１つでも、第１回転軸及び第２回転軸の相対回転によって自己誘導起電力は変化するので、コイル１８は１つでもトルクを算出することができる。
また、前述のように、凸部１３や凹部１４は第１回転軸又は第２回転軸と別体であってもよい。但し、設けられる回転軸と同期回転する必要がある。
【符号の説明】
【００２４】
１はステアリングホイール
２はステアリングシャフト
２ａはインプットシャフト（第１回転軸）
２ｂはアウトプットシャフト（第２回転軸）
２ｃはトーションバー
４、６はユニバーサルジョイント
５はロアシャフト
７はピニオンシャフト
８はステアリングギヤ機構
９はタイロッド
１０はアシストトルク機構
１１は減速ギヤ機構
１２は電動モータ
１３は凹部
１４は凸部
１５は高透磁率部
１６は円筒部材
１７は窓
１８はコイル
１９は発進部
２０は整流・平滑回路
２１は差動アンプ
２２はノイズ除去フィルタ
２３はトルク算出部
３１はトルクセンサ
３２は走行速度センサ
３３はコントローラ
３４はモータ駆動部
【図１】
2013003037.tif 000003
【図２】
2013003037.tif 000004
【図３】
2013003037.tif 000005