JP5091555B2 - 磁歪式トルクセンサおよび電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁歪式トルクセンサおよび電動パワーステアリング装置に関し、特に、磁歪膜での磁歪作用に基づく磁気変化を利用してステアリングシャフト等に加わるトルクを検出する磁歪式トルクセンサ、およびこの磁歪式トルクセンサを操舵トルク検出部として利用する電動パワーステアリング装置に関する。

例えば自動車の操舵系として装備される電動パワーステアリング装置では、一般的に、運転者の操舵操作によってステアリングホイールからステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを操舵トルク検出部によって検出する。近年では、操舵トルク検出部として磁歪式トルクセンサを利用して構成するものが知られている。ステアリングシャフトは、運転者の操舵による回転力を受けて回転する回転軸であり、操舵トルク検出部でその回転軸として機能する。電動パワーステアリング装置は、操舵トルク検出部から検出されたトルク信号に応じて、操舵力を補助するためのモータを駆動制御し、運転者の操舵力を軽減して快適な操舵フィーリングを与える。

図を参照して、操舵トルク検出部として機能する磁歪式トルクセンサのトルク検出原理を説明する。磁歪式トルクセンサは、実際上ではセンサ装置として構成され、本来的なトルクに感応するセンサ部分と、センサ出力信号を処理する検出用電気回路部分によって構成されている。

磁歪式トルクセンサでは、図１０に示すごとく、ステアリングシャフト（回転軸）１０１の表面でその円周方向全周に渡ってかつ軸心に沿った例えば２つの箇所で互いに逆向きの磁気異方性１０３，１０４を有するように磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂが形成されている。磁歪膜１０２Ａは正の磁歪定数を有し、磁歪膜１０２Ｂは負の磁歪定数を有している。磁歪式トルクセンサ１００は、ステアリングシャフト１０１に矢印１０５のごとくステアリングホイールから入力トルクが作用したときに、ステアリングシャフト１０１に生じる捩れに応じた磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂの磁歪特性の変化をそれぞれの検出コイル１０６Ａ，１０６Ｂにより非接触で検出するセンサ構成を有している。検出コイル１０６Ａは磁歪膜１０２Ａを囲むようにその周囲に配置されている。検出コイル１０６Ｂは磁歪膜１０２Ｂを囲むようにその周囲に配置されている。

上記の磁歪式トルクセンサにおいて、検出コイル１０６Ａ，１０６Ｂによって対応する磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂの磁歪特性の変化を検出するため、検出時、例えば、検出コイル１０６Ａ，１０６Ｂは正弦波交流電流が供給されて励磁される。検出コイル１０６Ａ，１０６Ｂのそれぞれには励磁用正弦波交流電流が加えられ、それにより対応する磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂに交番磁界を印加している。なお、ここでは、検出コイルを励磁コイルとして併用する例を説明したが、検出コイルとは別途に励磁コイルを用いる構成であってもよい。いずれにせよ、磁歪膜に対して交番磁界を印加するための励磁用コイルが必要である。

図１１は、磁歪式トルクセンサ１００によるセンサ装置の構成に基づく入力トルクの検出原理を示す。特性ＶＴ１は検出コイル１０６Ａからの出力信号に基づいて作られる入力トルク出力特性であり、特性ＶＴ２は検出コイル１０６Ｂからの出力信号に基づいて作られる入力トルク出力特性である。磁歪膜１０２Ａ，１０２Ｂでの磁気異方性１０３，１０４の方向が逆になっているため、特性ＶＴ１と特性ＶＴ２の傾きは逆になる。特性ＶＴ３は、特性ＶＴ１と特性ＶＴ２の差をとることにより作られる入力トルク出力特性である。特性ＶＴ３に基づいて、ステアリングシャフトに印加された人為的な入力トルクが求められる。実際上、特性ＶＴ３の点Ｂを原点として設定し、その右側領域を正領域とし、左側部分を負領域として扱う。特性ＶＴ３に基づきステアリングシャフトに印加される入力トルクの回転方向と大きさについての情報が得られる。

従来の磁歪式トルクセンサとしては特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された磁歪式トルクセンサは、励磁コイルが励磁されたときの検出コイルの出力と基準信号を加算し、当該加算値と基準信号を位相で比較し、その比較出力を電圧変換して得た電圧値の極性および大きさに基づいてトルク電圧軸に印加されるトルクの加わった方向と大きさを検出している。
特開２００４−１９１０６８号公報

従来の磁歪式トルクセンサでは、捩りトルクによってその入力方向へ磁気モーメントが回転し、その変化がセンサ感度となる。磁歪式トルクセンサのセンサ感度は、材料磁歪定数と材料透磁率の積で決定されるが、材料や作製手法、磁歪膜を付ける下地等により、初期の磁歪膜の磁気特性は異なるため、決定されたセンサ装置で高感度でかつばらつきの少ないセンサ感度を得るためには多大なプロセス検討が必要である。さらに使用される環境によっても地磁気や踏切などの外乱により感度の変動が生じるが、それらを想定したプロセスの検討は今まで十分になされていなかった。

また磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置の操舵トルク検出部として使用する場合には、特に、高機能で感度ばらつきの少ない磁歪式トルクセンサが望まれる。またかかる磁歪式トルクセンサの磁歪膜は、電動パワーステアリング装置で高品位のステアリング性能、フェールセーフ時の閾値マージンなどを考慮し、ＳＮ比が高い方が望まれている。

本発明の目的は、上記の課題を解決することにあり、地磁気や踏切等の外乱磁界等を考慮して高感度でかつばらつきの少ないセンサ感度を実現することができ、さらに電動パワーステアリング装置に利用されたとき高品位のステアリング性能、フェールセーフ時の閾値マージン等を考慮して高いＳＮ比を有することができる磁歪式トルクセンサ、および当該磁歪式トルクセンサを利用して構成される電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明に係る磁歪式トルクセンサおよび電動パワーステアリング装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

第１の磁歪式トルクセンサ（請求項１に対応）は、入力トルクに応じて回転するように用いられかつ磁歪膜が設けられた回転軸と、磁歪膜に交番磁界を印加させる励磁コイルと、磁歪膜の磁気特性の変化を検出する検出コイルとを有する磁歪式トルクセンサであって、交番磁界によって生じる磁歪膜の磁気ヒステリシス曲線で求められる最大透磁率になる印加磁界をＨｍ（＞０）、不連続磁化範囲終了となる印加磁界をＨｎ（＞０）であるとし、さらに磁歪膜による磁歪感度曲線の上で設定される感度範囲を決める印加磁界をＨｉｎ（＞０）であるとするとき、Ｈｍ＜Ｈｉｎ＜Ｈｎでありかつ−Ｈｍ＞−Ｈｉｎ＞−Ｈｎである条件を満たすようにバイアス磁界を加えることを特徴とする。

上記の磁歪式トルクセンサでは、回転軸の磁歪膜に対して例えば励磁コイル等からの励磁用電流によってバイアス磁界を追加して適切なオフセット磁界を印加させることにより、磁歪膜の高透磁率領域をセンサとして使用することができ、センサ感度を検出回路のゲインを変更することなく高めることができる。これにより、磁歪式トルクセンサの検出回路側のＳＮ比を改善することが可能となる。上記のオフセット磁界を印加させることにより、磁歪膜としての最大の感度を得ることができる。

第２の磁歪式トルクセンサ（請求項２に対応）は、上記の構成において、磁歪膜の磁気特性に影響を与える可能性のある外乱要素に係る磁界をＨｅｘ（＞０）、地磁気による磁界をＨｍａｇ（＞０）とするとき、（Ｈｍ＋Ｈｅｘ＋Ｈｍａｇ）＜Ｈｉｎ＜（Ｈｎ−Ｈｅｘ−Ｈｍａｇ）でありかつ−（Ｈｍ＋Ｈｅｘ＋Ｈｍａｇ）＞−Ｈｉｎ＞−（Ｈｎ−Ｈｅｘ−Ｈｍａｇ）である条件を満たすようにバイアス磁界を加えることを特徴とする。この構成によるオフセット磁界によれば、磁界外乱要素や地磁気等の特性因子の影響を低減することが可能となり、ばらつきの小さい磁歪式トルクセンサを得ることができる。

第３の磁歪式トルクセンサ（請求項３に対応）は、上記の構成において、バイアス磁界は、交流電流にバイアス電流を加えることにより、励磁コイルを介して与えられることを特徴とする。

第４の磁歪式トルクセンサ（請求項４に対応）は、上記の構成において、バイアス磁界は他の磁界発生手段により与えられることを特徴する。

本発明に係る電動パワーステアリング装置は（請求項５に対応）は、ステアリング装置のステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを操舵トルク検出部で検出し、この操舵トルク検出部で検出した操舵トルクに応じて補助トルクをステアリングシャフトに与えるモータを駆動制御する制御手段を備えて成り、さらに、操舵トルク検出部に前述の第１~第４のいずれか１つの磁歪式トルクセンサを用い、ステアリングシャフトが磁歪式トルクセンサの回転軸となることを特徴とする。

本発明によれば次の効果を奏する。
本発明に係る磁歪式トルクセンサによれば、使用する磁歪膜の磁気ヒステリシス曲線から求められるＨｍとＨｎにより規定される範囲の印加磁界に基づき当該磁歪膜としての最大感度を得ることができ、かつ踏切等の外乱磁界や地磁気等の他の特性因子の影響を低減するため、高感度でかつばらつきの小さい磁歪式トルクセンサを実現することができる。
本発明に係る電動パワーステアリング装置によれば、操舵トルク検出部として利用される磁歪式トルクセンサの磁歪膜のＳＮ比を高くしたため、高品位のステアリング性能を実現でき、フェールセーフ時に閾値マージンを適切に設定することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１と図２を参照して磁歪式トルクセンサの基本的構成について説明する。図１と図２は磁歪式トルクセンサの一構造例を示している。図１は磁歪式トルクセンサの基本的構造を示す一部断面側面図を示し、図２は磁歪式トルクセンサの基本的構成（電気回路部を含む）を概念的に示す側面図を示している。

図１と図２に示すように磁歪式トルクセンサ１０は、回転軸１１と、この回転軸１１の周囲に配置される１つの励磁コイル１２と２つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂとから構成されている。回転軸１１は、図１と図２では、説明の便宜上、上部および下部を切断し省略して示している。

回転軸１１は、例えば操舵系のステアリングシャフトの一部である。回転軸１１は、その軸心１１ａの周りに矢印Ａのごとく右回転（時計回り）または左回転（反時計回り）の回転力（トルク）を受ける。回転軸１１は例えばクロムモリブデン鋼材（ＳＣＭ材）等の金属棒で形成されている。回転軸１１には、軸（軸心）方向に沿って図１中で上下２箇所に磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが設けられている。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々は、回転軸１１の軸方向にて一定の幅（軸方向幅）を有しかつ回転軸１１の円周方向の全周に渡って形成されている。各磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの軸方向の幅寸法、および２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの間隔寸法は条件に応じて任意に設定される。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、実際には、電解めっき加工処理等により回転軸１１の表面に磁歪材めっき部として形成される。この磁歪材めっき部に磁気異方性加工を施すことにより、磁気異方性を有する磁歪膜１４Ａ，１４Ｂが形成される。なお図１等では磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの膜厚は少し誇張して示している。

２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁歪材にはＮｉ（ニッケル）−Ｆｅ（鉄）合金材が用いられる。また完成した２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、各々の磁気異方性は軸対称となって、互いに逆方向であり、一方の磁歪膜は正の磁歪定数を有し、かつ他方の磁歪膜は負の磁歪定数を有するという特性を有している。以下の説明では、上側の磁歪膜１４Ａが正の磁歪定数を有し、下側の磁歪膜１４Ｂが負の磁歪定数を有するものとする。

上記の励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂは、図１に示すごとく、回転軸１１の表面に形成された２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して設けられる。すなわち、図１に示されるように、磁歪膜１４Ａの周囲には隙間を介在させて検出コイル１３Ａが配置される。リング状の検出コイル１３Ａは、磁歪膜１４Ａの全周囲を囲み、かつ検出コイル１３Ａの軸方向の幅寸法は磁歪膜１４Ａの軸方向の幅寸法と略等しい。また磁歪膜１４Ｂの周囲には隙間を介在させて検出コイル１３Ｂが配置される。同様に、リング状の検出コイル１３Ｂは、磁歪膜１４Ｂの全周囲を囲み、かつ検出コイル１３Ｂの軸方向の幅寸法は磁歪膜１４Ｂの軸方向の幅寸法と略等しい。さらに、２つの検出コイル１３Ａ，１３Ｂのそれぞれの周囲にはリング状の励磁コイル１２が配置される。図１では、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して個別に励磁コイル１２が設けられるように図示されているが、実際には１つの励磁コイル１２の２つの部分を分けて示したものである。検出コイル１３Ａ，１３Ｂと励磁コイル１２は、回転軸１１の周囲に回転軸１１を囲むように設けられたリング状の支持枠体部１５Ａ，１５Ｂを利用して磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの周囲スペースに巻設されている。

図２では、回転軸１１の磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対して配置される励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂを電気的関係として概念的に示している。磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対して共通に配置される励磁コイル１２には、励磁用交流電流（交流正弦波電流）を常時に供給する交流電源１６が接続されている。本実施形態に係る励磁コイル１２の励磁電流供給のための電気回路構成では、交流正弦波電流を出力する交流電源１６に加えて、直流電流であるバイアス電流（Ｉ_０）を供給するバイアス電源１７が設けられている。また磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに対応して配置される検出コイル１３Ａ，１３Ｂの各出力端子からは、検出対象であるトルクに対応する誘導電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂが出力される。

回転軸１１の表面に形成された磁歪膜１４Ａ，１４Ｂは、Ｎｉ−Ｆｅめっきによる電解めっき加工処理で作られた互いに異なる磁気異方性を有する磁歪膜である。２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々は、互いに逆方向の磁気異方性を有するように作られている。回転軸１１に対して回転力によるトルクが作用したとき、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの各々に生じる逆の磁歪特性を、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの周囲に配設した検出コイル１３Ａ，１３Ｂを利用して検出する。

図３は２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂのそれぞれの磁歪特性曲線２１Ａ，２１Ｂを示す図である。図３で、横軸は回転軸（ステアリングシャフト等）に加えられた操舵トルクを意味し、正側（＋）が右回転に対応し、負側（−）が左回転に対応している。また図３の縦軸は電圧軸を意味する。

磁歪膜１４Ａ，１４Ｂについての上記磁歪特性曲線２１Ａ，２１Ｂは同時に検出コイル１３Ａ，１３Ｂの検出出力特性を表している。すなわち、磁歪特性曲線２１Ａ，２１Ｂを有する磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに対して共通の励磁コイル１２により励磁用交流電流等を供給し、この励磁用交流電流等に感応して検出コイル１３Ａ，１３Ｂは誘導電圧を出力していることから、検出コイル１３Ａ，１３Ｂの誘導電圧の変化特性は、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁歪特性曲線２１Ａ，２１Ｂに対応している。磁歪特性曲線２１Ａは検出コイル１３Ａから出力される誘導電圧Ｖ_Ａの変化特性を示し、磁歪特性曲線２１Ｂは検出コイル１３Ｂから出力される誘導電圧Ｖ_Ｂの変化特性を示している。

図３で、直線２２は、検出コイル１３Ａの出力電圧として得られる磁歪特性曲線２１Ａの各値から、検出コイル１３Ｂの出力電圧として得られる磁歪特性曲線２１Ｂの対応する各値を差し引いた値に基づいて作成されるグラフを示す。線２２の特性グラフに関しては、図３の縦軸は差電圧の値を示す軸を意味している。磁歪式トルクセンサの検出出力値は前述のごとく検出コイル１３Ａ，１３Ｂから出力される誘導電圧の差（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｂ）として得られることから、直線２２を利用することに基づいて、回転軸１１に加えられた操舵トルクの方向と大きさを検出することができる。

上記構成を有する磁歪式トルクセンサ１０での作用をより詳しく説明する。

磁歪式トルクセンサ１０において、励磁コイル１２に供給される交流電流は略２０〜１００ｋＨｚ程度の範囲に含まれる高周波の正弦波交流電流である。励磁コイル１２が交流電流で励磁されたとき、外部から回転軸１１に対してトルクが印加されると、回転軸１１に生じる応力歪みに比例する透磁率の変化によって励磁コイル１２と検出コイル１３Ａ，１３Ｂにはインダクタンスの変化による自己誘導電圧と相互誘導電圧からなる起電圧が生じ、各検出コイルの出力端にその誘導電圧（Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂ）が微小な電圧値として出力される。この時、正弦波の交流電圧が継続して励磁コイル１２に印加されており、励磁状態が維持される。従来の磁歪式トルクセンサでは交流電圧０Ｖを中点とした正弦波の交流電圧が励磁コイルに印加されていた。しかしながら、回転軸には、その納入時から透磁率のばらつき、磁性材料からなっていることに起因する磁化の個体差によりばらつきがあり、センサ感度（透磁率）にばらつきが生じる。そのため、本実施形態に係る磁歪式トルクセンサ１０では、励磁コイル１２に正弦波交流電流を供給した際に生じる磁歪膜１４Ａ，１４Ｂでの印加磁界を、さらにバイアス電源１７により励磁コイル１２に所要の直流電流（Ｉ_０）を加えることにより、オフセットする。この所要の直流電流は前述のバイアス電流Ｉ_０であり、オフセット磁界を生じさせるためのオフセット電流である。励磁コイル１２では、供給される上記の正弦波交流電流に基づいて交番磁界を作る。正弦波交流電流に加わる上記バイアス電流Ｉ_０ は、当該交番磁界にバイアス磁界を加え、オフセット磁界を作る。なお上記バイアス電源１７は、バイアス電圧を任意に調整するように構成することもできる。

図４のグラフに、正弦波交流電流に基づく交番磁界３１、バイアス電流Ｉ_０ に基づくバイアス磁界３２、その結果作られるオフセット磁界３３の関係の一例を示している。

上記において交番磁界３１のオフセットの条件は次のように決められる。

図５に示すごとく交番磁界３１によって生じる磁歪膜１４Ａ，１４Ｂの磁気ヒステリシス曲線３４においてここで求められる「最大透磁率になる印加磁界」をＨｍ（＞０）、「不連続磁化範囲終了となる印加磁界（または磁気が飽和する印加磁界）」をＨｎ（＞０）であるとし、さらに、磁歪膜１４Ａ，１４Ｂによる磁歪感度曲線の上で設定される感度範囲を決める印加磁界をＨｉｎ（＞０）であるとするとき、Ｈｍ＜Ｈｉｎ＜Ｈｎであり、かつ−Ｈｍ＞−Ｈｉｎ＞−Ｈｎである条件を満たすように上記正弦波交流電流に対してバイアス電流Ｉ_０を加えるようにする。

上記の磁歪膜１４Ａ，１４Ｂでの「印加磁界／規格感度変化」の特性で、「最大透磁率になる印加磁界Ｈｍ」と「不連続磁化範囲終了となる印加磁界Ｈｎ」を示すと、図６に示すごとくなる。図６において、「印加磁界／規格感度変化」の特性３５で、範囲Ａ１が「Ｈｍ＜Ｈｉｎ＜Ｈｎ」の条件を満たすＨｉｎの範囲であり、範囲Ａ２が「−Ｈｍ＞−Ｈｉｎ＞−Ｈｎ」の条件を満たすＨｉｎの範囲である。

上記の構成により、回転軸１１に形成された２つの磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに関して最大感度でばらつきの少なくセンサ感度特性を実現することができる。

励磁コイル１２へ供給される励磁電流およびバイアス電流に基づいて回転軸１１の磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに印加されるオフセット磁界３３の設定は、初期設定時において行われる。この「初期設定時」とは、当該磁歪式トルクセンサ１０を自動車の電動パワーステアリング装置の操舵トルク検出部に利用するとき、例えば自動車製造完成時の初期設定時における電気系回路の設定時のことである。一般的には、磁歪式トルクセンサ１０を任意の装置に装備する場合において、当該装置を完成品として搬出する際の設定時である。

次に、上記の磁歪式トルクセンサ１０を自動車の電動パワーステアリング装置の操舵トルク検出部として利用する実施形態を説明する。図７は、自動車に装備される電動パワーステアリング装置の全体的構成を模式的に示す。

電動パワーステアリング装置４０は、ステアリングホイール４１に連結されるステアリングシャフト４２に対して補助用トルクを与えるように構成される。ステアリングシャフト４２は、上端にステアリングホイール４１が連結された上側のステアリング軸４２ａと、下端にピニオンギヤ４３が設けられた下側のステアリングシャフト４２ｂと、上下のステアリングシャフト４２ａ，４２ｂを連結する自在軸継手４２ｃとから構成されている。下側のステアリングシャフト４２ｂのピニオンギヤ４３に対して、これに噛み合うラックギヤ４４ａを設けたラック軸４４が配置されている。ピニオンギヤ４３とラック軸４４（ラックギヤ４４ａ）とによってラック・ピニオン機構４５が形成される。ラック軸４４の両端にはタイロッド４６が設けられ、各タイロッド４６の外側端には前輪４７が取り付けられている。

下側のステアリングシャフト４２ｂに対して動力伝達機構４８を介してモータ４９が設けられている。動力伝達機構４８は、ウォームギヤ５０とウォームホイール５１によって形成されている。モータ４９は、操舵トルクを補助する回転力（トルク）を出力し、この回転力を、動力伝達機構４８を経由してステアリングシャフト４２ｂに与える。

ステアリングシャフト２１ｂには操舵トルク検出部５２が設けられる。操舵トルク検出部５２は、運転者がステアリングホイール４１を操作してその操舵トルクをステアリングシャフト４２に加えたとき、ステアリングシャフト４２に加わった当該操舵トルクを検出する。

５３は自動車の車速を検出する車速検出部であり、５４はコンピュータで構成される制御装置である。制御装置５４は、操舵トルク検出部５２から出力される操舵トルク信号Ｔと、車速検出部５３から出力される車速信号Ｖとを取り入れ、操舵トルクに係る情報を車速に係る情報に基づいて、モータ４９の動作を制御する駆動制御信号ＳＧ１を出力する。

運転者がステアリングホイール４１を操作して車両の走行運転中に走行方向の操舵を行うとき、ステアリングシャフト４２に加えられた操舵トルクに基づく回転力はラック・ピニオン機構４５を介してラック軸４４の軸方向の直線運動に変換され、さらにタイロッド４６を介して前輪４７の走行方向を変化させる。このときに、同時に、ステアリングシャフト４２に付設された操舵トルク検出部５２は、ステアリングホイール４１での運転者による操舵に応じた操舵トルクを検出して電気的な操舵トルク信号Ｔに変換し、この操舵トルク信号Ｔを制御装置５４へ出力する。また車速検出部５３は、車速を検出して車速信号Ｖに変換し、この車速信号Ｖを制御装置５４へ出力する。制御装置５４は、操舵トルク信号Ｔ、車速信号Ｖに基づいてモータ４９を駆動するためのモータ電流を発生する。モータ電流によって駆動されるモータ４９は、動力伝達機構４８を介して補助操舵力をステアリングシャフト４２ｂに作用させる。以上のごとくモータ４９を駆動することにより、ステアリングホイール４１に加えられる運転者の操舵力が軽減される。

上記のごとく自動車の電動パワーステアリング装置４０の操舵トルク検出部５２として前述の磁歪式トルクセンサ１０を使用する場合、使用環境は磁場環境の変化が激しい。例えば、踏切の上を通ったときや電車の高架下を通る場合などには磁界の影響を受ける。また使用する地域に応じて地磁気も変わるので、その影響も考慮する必要がある。

そこで、磁歪式トルクセンサ１０を自動車の電動パワーステアリング装置４０等に使用する場合には、特に、踏切や回転軸の初期磁化等の外乱要素に係る磁界をＨｅｘ（＞０）、地磁気による磁界をＨｍａｇ（＞０）とし、上記の印加磁界Ｈｉｎ（＞０）の範囲が、好ましくは、（Ｈｍ＋Ｈｅｘ＋Ｈｍａｇ）＜Ｈｉｎ＜（Ｈｎ−Ｈｅｘ−Ｈｍａｇ）でありかつ−（Ｈｍ＋Ｈｅｘ＋Ｈｍａｇ）＞−Ｈｉｎ＞−（Ｈｎ−Ｈｅｘ−Ｈｍａｇ）となる条件を満たすように上記の正弦波交流電流にバイアス電流を加える。前述した図６と同様な図８において、「印加磁界／規格感度変化」の特性３５で、範囲Ｂ１が「（Ｈｍ＋Ｈｅｘ＋Ｈｍａｇ）＜Ｈｉｎ＜（Ｈｎ−Ｈｅｘ−Ｈｍａｇ）」の条件を満たすＨｉｎの範囲であり、範囲Ｂ２が「−（Ｈｍ＋Ｈｅｘ＋Ｈｍａｇ）＞−Ｈｉｎ＞−（Ｈｎ−Ｈｅｘ−Ｈｍａｇ）」の条件を満たすＨｉｎの範囲である。このようにオフセット磁界を設定すれば、磁界外乱要素や地磁気等の特性因子の影響を低減することが可能となり、ばらつきの小さい磁歪式トルクセンサを得ることができる。

上記の実施形態においては、回転軸１１の磁歪膜１４Ａ，１４Ｂにオフセット磁界（またはバイアス磁界）を印加するために励磁コイル１２に直流電流（バイアス電流）を加えるようにした。当該磁歪膜１４Ａ，１４Ｂに所定幅のオフセット磁界（バイアス磁界）を加えるためには、例えば、図９に示すごとく他の磁界発生装置を付設することにより回転軸１１に直接に磁界を印加する方法でもよい。図９は、前述した図２と同様な図であり、図２で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。図９に示した構成では、磁歪膜１４Ａに対しては、軸方向にてその両側に、矢印６１で示されるような磁界が磁歪膜表面に沿った領域で生じるようにリング状のＮ極永久磁石６２とリング状のＳ極永久磁石６３が設けられる。同様にして、磁歪膜１４Ｂに対しても、軸方向にてその両側に、矢印６４で示されるような磁界が磁歪膜表面に沿った領域で生じるようにリング状のＮ極永久磁石６５とリング状のＳ極永久磁石６６が設けられる。磁界６１と磁界６４の向きは同じであり、回転軸１１の軸方向に対して平行になっている。Ｎ極永久磁石６２，６５とＳ極永久磁石６３，６６が磁界発生装置を構成することになる。回転軸１１の円周方向にリング形状で形成されるＮ極永久磁石６２，６５とＳ極永久磁石６３，６６はその体積を変化させることによって発生磁界を調整し、最適な印加磁界を決めることができる。この構成例では、励磁コイル１２に対しては交流電源１６のみが接続されている。このような構成の場合には、オフセット磁界（バイアス磁界）は、励磁用のコイルとは無関係になるので、例えばコイルの巻き数や抵抗値等の影響を排除して磁界の範囲を規定することが可能となる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさ、材質、および配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、電動パワーステアリング装置の操舵トルク検出部として使用される磁歪式トルクセンサを製造プロセスの簡略化に利用される。

本発明に係る磁歪式トルクセンサの基本的構造を示す一部断面側面図である。 磁歪式トルクセンサの検出用電気回路を概念的に示す側面図である。 磁歪式トルクセンサにおける各検出コイルに関する磁歪特性曲線とセンサ検出特性を示すグラフである。 交番磁界とバイアス磁界とオフセット磁界の関係を示すグラフである 磁気ヒステリシス曲線における最大透磁率になる印加磁界Ｈｍと不連続磁化範囲終了となる印加磁界Ｈｎを示すグラフである。 「印加磁界／規格感度変化」の特性で、「Ｈｍ＜Ｈｉｎ＜Ｈｎ」の範囲と「−Ｈｍ＞−Ｈｉｎ＞−Ｈｎ」の範囲を示すグラフである。 電動パワーステアリング装置の構成を示す模式図である。 「印加磁界／規格感度変化」の特性で、「（Ｈｍ＋Ｈｅｘ＋Ｈｍａｇ）＜Ｈｉｎ＜（Ｈｎ−Ｈｅｘ−Ｈｍａｇ）」の範囲と、「−（Ｈｍ＋Ｈｅｘ＋Ｈｍａｇ）＞−Ｈｉｎ＞−（Ｈｎ−Ｈｅｘ−Ｈｍａｇ）」の範囲を示すグラフである。 磁歪膜に対してオフセット磁界を加えるための他の変形例を示す図２と同様な図である。 従来の一般的な磁歪式トルクセンサの要部構成を示す側面図である。 磁歪式トルクセンサのセンサ構成における入力トルク検出の原理を説明するための入力トルク・出力特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ 磁歪式トルクセンサ
１１ 回転軸
１２ 励磁コイル
１３Ａ，１３Ｂ 検出コイル
１４Ａ，１４Ｂ 磁歪膜
２１Ａ，２１Ｂ 磁歪特性曲線（インピーダンス特性曲線）
３１ 交番磁界
３２ バイアス磁界
３３ オフセット磁界
４０ 電動パワーステアリング装置
４１ ステアリングホイール
５２ 操舵トルク検出部
５４ 制御装置
６２，６５ リング状Ｎ極永久磁石
６３，６６ リング状Ｓ極永久磁石

Claims (5)

1. 入力トルクに応じて回転するように用いられかつ磁歪膜が設けられた回転軸と、前記磁歪膜に交番磁界を印加させる励磁コイルと、前記磁歪膜の磁気特性の変化を検出する検出コイルとを有する磁歪式トルクセンサにおいて、
   前記交番磁界によって生じる前記磁歪膜の磁気ヒステリシス曲線で求められる最大透磁率となる印加磁界をＨｍ（＞０）、不連続磁化範囲終了となる印加磁界をＨｎ（＞０）であるとし、さらに前記磁歪膜による磁歪感度曲線の上で設定される感度範囲を決める印加磁界をＨｉｎ（＞０）であるとするとき、Ｈｍ＜Ｈｉｎ＜Ｈｎでありかつ−Ｈｍ＞−Ｈｉｎ＞−Ｈｎである条件を満たすようにバイアス磁界を加えることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
2. 前記磁歪膜の磁気特性に影響を与える可能性のある外乱要素に係る磁界をＨｅｘ（＞０）、地磁気による磁界をＨｍａｇ（＞０）とするとき、（Ｈｍ＋Ｈｅｘ＋Ｈｍａｇ）＜Ｈｉｎ＜（Ｈｎ−Ｈｅｘ−Ｈｍａｇ）でありかつ−（Ｈｍ＋Ｈｅｘ＋Ｈｍａｇ）＞−Ｈｉｎ＞−（Ｈｎ−Ｈｅｘ−Ｈｍａｇ）である条件を満たすようにバイアス磁界を加えることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
3. 前記バイアス磁界は、前記交流電流にバイアス電流を加えることにより、前記励磁コイルを介して与えられることを特徴とする請求項１または２記載の磁歪式トルクセンサ。
4. 前記バイアス磁界は他の磁界発生手段により与えられることを特徴する請求項１または２記載の磁歪式トルクセンサ。
5. ステアリング装置のステアリングシャフトに加えられる操舵トルクを操舵トルク検出部で検出し、この操舵トルク検出部で検出した操舵トルクに応じて補助トルクを前記ステアリングシャフトに与えるモータを駆動制御する制御手段を備える電動パワーステアリング装置において、
   前記操舵トルク検出部に請求項１〜４のいずれか１項に記載された磁歪式トルクセンサを用い、前記ステアリングシャフトが前記磁歪式トルクセンサの前記回転軸となることを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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