回転角検出装置、及びトルクセンサ
【課題】回転体の多回転の絶対回転角を検出することが可能でありながらも、構造の簡素化を図ることのできるトルクセンサを提供する。
【解決手段】このトルクセンサ１４では、第１のレゾルバ４０を通じて検出されるインプットシャフト２０の回転角度と、第２のレゾルバ５０を通じて検出されるロアシャフト２１の回転角度との差分値に基づいてステアリングホイールに付与された操舵トルクを演算する。ここでは、インプットシャフト２０と一体となって回転する太陽歯車６１、磁性体により形成されて太陽歯車６１の周囲を公転する遊星歯車６３、及び遊星歯車６３が噛合される内歯車６２により構成される遊星歯車機構６０を設ける。そして、第１のレゾルバ４０から出力される電圧信号に基づいてインプットシャフト２０の回転角及び遊星歯車６３の位置を検出し、それらに基づいてステアリングホイールの操舵角を求める。
【解決手段】このトルクセンサ１４では、第１のレゾルバ４０を通じて検出されるインプットシャフト２０の回転角度と、第２のレゾルバ５０を通じて検出されるロアシャフト２１の回転角度との差分値に基づいてステアリングホイールに付与された操舵トルクを演算する。ここでは、インプットシャフト２０と一体となって回転する太陽歯車６１、磁性体により形成されて太陽歯車６１の周囲を公転する遊星歯車６３、及び遊星歯車６３が噛合される内歯車６２により構成される遊星歯車機構６０を設ける。そして、第１のレゾルバ４０から出力される電圧信号に基づいてインプットシャフト２０の回転角及び遊星歯車６３の位置を検出し、それらに基づいてステアリングホイールの操舵角を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の絶対回転角を多回転においても検出することが可能な回転角検出装置、及びトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の操舵系にアシストトルクを付与することにより運転者のステアリング操作を補助する、いわゆるパワーステアリング装置が周知である。そして従来、この種のパワーステアリング装置としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１に記載のパワーステアリング装置は、運転者によるステアリングホイールの操作に基づきステアリングシャフトに付与される操舵トルクを検出するトルクセンサと、ステアリングシャフトにアシストトルクを付与する電動モータとを備えている。このうち、ステアリングシャフトは、ステアリングホイールに連結されるインプットシャフトと、ラック軸などを介して車両の操舵輪に連結されるロアシャフトとがトーションバーを介して互いに連結された構造を有している。トルクセンサは、インプットシャフト及びロアシャフトのそれぞれの回転角を回転角センサを通じて検出し、検出された各シャフトの回転角の差分値に基づいてステアリングシャフトに付与された操舵トルクを検出する。そして、このパワーステアリング装置では、トルクセンサを通じて検出される操舵トルクに基づいて電動モータの駆動量を制御することによって、ステアリングシャフトにアシスト力が付与されるようになっている。
【０００３】
また、この特許文献１に記載のパワーステアリング装置では、ロアシャフトの回転数を検出する回転数検出装置を設け、この回転数検出装置を通じて検出されるロアシャフトの回転数と、トルクセンサを通じて検出されるロアシャフトの回転角とに基づいてステアリングホイールの多回転の操舵角を絶対角で検出するようにしている。これにより、トルクセンサを通じて検出されるステアリングホイールの操舵角を利用して、例えばＶＳＣ（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）や自動駐車制御などを実行することができるため、利便性が向上するようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２４５６４２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、この特許文献１に記載のトルクセンサでは、ステアリングホイールの操舵角を検出するために、ロアシャフトの回転数を検出する回転数検出部が必要となる。そしてこのことが、トルクセンサの構造の複雑化を招き、ひいてはコストの増大を招く一つの要因となっていた。
【０００６】
なお、このような課題は、ステアリングホイールの操舵角を検出することの可能なトルクセンサに限らず、回転体の多回転の絶対回転角を検出する回転角検出装置に共通する課題である。
【０００７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転体の多回転の絶対回転角を検出することが可能でありながらも、構造の簡素化を図ることのできる回転角検出装置、及び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】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転体の回転方向に沿って配設される複数の磁界検出部と、同複数の磁界検出部に付与する磁界を生成する磁界生成部と、前記回転体と一体となって回転する太陽歯車と、前記磁界を変化させ得る部材により形成されて前記太陽歯車の回転に基づきその周囲を公転する遊星歯車と、を備え、前記磁界生成部は、前記回転体の回転に伴い前記複数の磁界検出部に対して相対回転し、前記遊星歯車は、前記複数の磁界検出部の配置に対応した軌道を公転することを要旨とする。
【０００９】
同構成によれば、回転体の回転に伴い太陽歯車が回転すると、太陽歯車の周囲を遊星歯車が公転するため、回転体の回転角に応じて遊星歯車の位置が変化する。よって、遊星歯車の位置から回転体の回転数を特定することが可能である。一方、公転する遊星歯車が複数の磁界検出部のうちのいずれかに接近すると、その磁界検出部に付与される磁界が遊星歯車の影響を受けて変化するため、磁界検出部の出力が変化する。したがって、磁界検出部の出力の変化に基づいて遊星歯車の位置を検出することは可能である。そして、検出された遊星歯車の位置から回転体の回転数を特定すれば、特定された回転体の回転数、並びに磁界検出部の出力に基づいて検出される回転体の回転角を用いて、回転体の多回転の絶対回転角を検出することができる。そしてこれにより、遊星歯車機構を設けるだけで回転体の絶対回転角を検出することができるため、従来の回転角検出装置のように、回転数検出装置を別途設ける場合と比較すると、構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００１０】
そしてこの場合、前記複数の磁界検出部に対応する遊星歯車の位置を検出する方法としては、請求項２に記載の発明によるように、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力のうちのいずれが異常値を示しているかを特定することで行う、といった構成を採用することが有効であり、これにより遊星歯車の位置を容易に検出することができるようになる。
【００１１】
さらにこの場合、回転体の回転角を検出する方法としては、請求項３に記載の発明によるように、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力に基づいて前記回転体の回転角を複数演算し、それら複数の演算結果の多数決をとることに基づいて行う、といった方法を採用することが有効であり、これにより回転体の回転角を容易に検出することができるようになる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の回転角検出装置において、前記回転体の回転角の検出が、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力のうちのいずれか２つの組み合わせに基づいて行われるものであって、前記磁界検出部が、５つ以上設けられていることを要旨とする。
【００１３】
このような回転角検出装置では、例えば２つの磁界検出部が近接して配置されているような場合、これら２つの磁界検出部に遊星歯車が近接すると、２つの磁界検出部の出力が変化してしまう。ここで、例えばレゾルバなどのように、複数の磁界検出部のそれぞれの出力のうちのいずれか２つの組み合わせから回転体の回転角を演算することが可能な回転角検出装置では、磁界検出部の数が４つ以下である場合、２つの磁界検出部の出力が異常値を示すと、磁界検出部の出力に基づき演算される回転体の回転角が正常値となるものが全くないか、あっても１つだけとなるため、多数決をとることができない。したがって、複数の演算結果の多数決に基づき回転体の回転角を検出するためには、上記構成によるように、磁界検出部を５つ以上設けることが有効となる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転角検出装置において、前記遊星歯車を公転運動可能に支持するハウジングと、前記太陽歯車を囲繞するように設けられて前記遊星歯車が噛合される内歯車と、を更に備え、前記遊星歯車は、前記ハウジングと前記太陽歯車との間、並びに前記ハウジングと前記内歯車との間で挟持されていることを要旨とする。
【００１５】
同構成によるように、ハウジングと太陽歯車との間、並びにハウジングと内歯車との間で遊星歯車を挟持することとすれば、遊星歯車を支持するための部材を別途設けることなく、遊星歯車を簡単且つ的確に支持することができるため、構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、第１の回転体の回転角を検出する第１の回転角検出装置と、前記第１の回転体とトーションバーを介して同一軸線上に連結される第２の回転体の回転角を検出する第２の回転角検出装置と、を備え、前記第１の回転体の回転角及び前記第２の回転体の回転角の差分に基づいて前記第１の回転体に付与されるトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記第１の回転角検出装置として請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転角検出装置を用いることを要旨とする。
【００１７】
同構成によれば、トルクセンサを通じて、回転体に付与されるトルクと共に、回転体の絶対回転角を検出することが可能となるため、利便性が大幅に向上するようになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる回転角検出装置、及びトルクセンサによれば、回転体の多回転の絶対回転角を検出することが可能でありながらも、構造の簡素化を図ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】車両の電動パワーステアリング装置の概要を示すブロック図。
【図２】本発明にかかるトルクセンサの一実施形態についてその断面構造を示す断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った部分断面構造を示す断面図。
【図４】図２のＢ−Ｂ線に沿った断面構造を示す断面図。
【図５】図２のＣ−Ｃ線に沿った断面構造を示す断面図。
【図６】同実施形態のトルクセンサについてその組み立て方法を示す断面図。
【図７】同実施形態のトルクセンサに設けられた第１のレゾルバの出力例を示す図表。
【図８】同実施形態のトルクセンサに設けられた第１のレゾルバの出力例を示す図表。
【図９】同実施形態のトルクセンサによるステアリングホイールの操舵角を演算する処理の手順を示すフローチャート。
【図１０】本発明にかかるトルクセンサの他の例について第１のレゾルバの出力例を示す図表。
【図１１】本発明にかかるトルクセンサの他の例についてその断面構造を示す断面図。
【図１２】本発明にかかるトルクセンサの他の例についてその断面構造を示す断面図。
【図１３】本発明にかかる回転角検出装置の一例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明にかかるトルクセンサを車両の電動パワーステアリング装置のトルクセンサに適用した一実施形態について図１〜図９を参照して説明する。はじめに、図１を参照して、本実施形態の車両の電動パワーステアリング装置の概要について説明する。
【００２１】
図１に示すように、この車両では、ステアリングホイール１が運転者により操作されると、ステアリングホイール１に付与された操舵力に基づいてステアリングシャフト２が回転する。なお、ステアリングシャフト２は、コラムシャフト３、インターミディエイトシャフト４、及びピニオンシャフト５を連結してなる。そして、ステアリングシャフト２の回転はラックアンドピニオン機構６を介してラック軸７の往復直線運動に変換され、このラック軸７の往復直線運動がその両端に連結されたタイロッド８を介して転舵輪９に伝達されることにより、転舵輪９の舵角、すなわち車両の進行方向が変更される。
【００２２】
こうした車両において、本実施形態の電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ１１が減速機構１２を介してコラムシャフト３に連結された構造を有している。そして、この電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ１１の回転を減速機構１２により減速してコラムシャフト３に伝達することにより、モータトルクをアシスト力として操舵系に付与する。
【００２３】
また、この車両には、車両の状態やステアリングホイール１の操作量を検出する各種センサが設けられている。例えば車両には、車速を検出する車速センサ１３が設けられている。また、ステアリングシャフト２には、同シャフト２に働くトルク、すなわち運転者からステアリングホイール１に付与される操舵トルクを検出するトルクセンサ１４が設けられている。このトルクセンサ１４は、ステアリングシャフト２の多回転の絶対回転角、すなわちステアリングホイール１の操舵角を検出する部分でもある。そして、これら各センサ１３，１４の出力は、マイクロコンピュータを中心に構成されて電動モータ１１の駆動を統括的に制御する制御装置１５に入力される。この制御装置１５は、各センサを通じて検出される車速、及び操舵トルクに基づいて運転者の操舵トルクの目標値である目標トルクを算出し、トルクセンサ１４により検出される操舵トルクが目標トルクとなるように電動モータ１１に流される電流をフィードバック制御する。
【００２４】
次に、図２を参照して、トルクセンサ１４の構造について詳述する。
図２に示すように、トルクセンサ１４が取り付けられるコラムシャフト３は、第１の回転体としてのインプットシャフト２０、及び第２の回転体としてのロアシャフト２１がトーションバー２２を介して互いに同一軸線上に連結された構造を有している。このうち、インプットシャフト２０は、ハウジング３０の上部に設けられた軸受け８０によって回転可能に支持されており、その上端部がステアリングホイール１に連結されている。また、ロアシャフト２１は、ハウジング３０の下部に設けられた軸受け８１によって回転可能に支持されており、その下端部がインターミディエイトシャフト４に連結されている。これにより、運転者によってステアリングホイール１に付与された操舵力がインプットシャフト２０に伝達されると、その操舵トルクがトーションバー２２を介してロアシャフト２１に伝達される際にトーションバー２２にねじれ変形が生じる。すなわち、インプットシャフト２０とロアシャフト２１との間に操舵トルクに応じた回転角度差が生じるようになっている。
【００２５】
また、ハウジング３０は、軸受け８０が設けられて下方側が開口された箱状の第１のハウジング３１と、軸受け８１が設けられて第１のハウジング３１の開口部分を閉塞する第２のハウジング３２とから構成されている。このように、ハウジング３０を２つの部分からなる分割体として構成することにより、その組み付けに際しての利便性が高められている。このハウジング３０の内部にはトルクセンサ１４が収容され、トルクセンサ１４は、インプットシャフト２０の回転角度を検出する第１の回転角検出装置としての第１のレゾルバ４０、及びロアシャフト２１の回転角度を検出する第２の回転角検出装置としての第２のレゾルバ５０を備えている。
【００２６】
このうち、第１のレゾルバ４０は、インプットシャフト２０の下端部に固定されて同インプットシャフト２０と一体回転するロータ４１と、ハウジング３０に固定されてロータ４１を囲繞する環状のステータ４２とから構成されている。このうち、ロータ４１は磁性体からなるものであって、図３に示すように、その外周面に５つの突出部が形成されている。すなわち、第１のレゾルバ４０は、その軸倍角が「５Ｘ」に設定されている。なお、図３では、便宜上、ハウジング３０の図示を割愛している。一方、ステータ４２は、磁性体により形成されてロータ４１に対向するようにして１２個のティースＴ１〜Ｔ１２が「３０°」の角度間隔を隔てて設けられたステータコア４４、及びこれらティースＴ１〜Ｔ１２に巻回された以下の（ａ１）〜（ａ７）に示す励磁巻線Ｗｅ、並びに６本の出力巻線Ｗ１〜Ｗ６から構成されている。
【００２７】
（ａ１）全てのティースＴ１〜Ｔ１２に巻回される励磁巻線Ｗｅ。
（ａ２）ティースＴ１、及びこれに対向するＴ７に巻回される第１の出力巻線Ｗ１。
（ａ３）ティースＴ２、及びこれに対向するＴ８に巻回される第２の出力巻線Ｗ２。
【００２８】
（ａ４）ティースＴ５、及びこれに対向するＴ１１に巻回される第３の出力巻線Ｗ３。
（ａ５）ティースＴ６、及びこれに対向するＴ１２に巻回される第４の出力巻線Ｗ４。
（ａ６）ティースＴ９、及びこれに対向するＴ３に巻回される第５の出力巻線Ｗ５。
【００２９】
（ａ７）ティースＴ１０、及びこれに対向するＴ４に巻回される第６の出力巻線Ｗ６。
そして、この第１のレゾルバ４０では、励磁巻線Ｗｅに励磁電圧Ｖｅ（＝Ｅ×ｓｉｎ（ωｔ））が印加されることにより、励磁巻線Ｗｅから出力巻線Ｗ１〜Ｗ６に交番磁界がそれぞれ付与される（但し、「Ｅ」は振幅、「ω」は角周波数、「ｔ」は時刻を示す）。一方、ロータ４１が回転すると、ロータ４１の突出部の位置に応じてロータ４１と各ティースＴ１〜Ｔ１２の距離が変化するため、励磁巻線Ｗｅから各出力巻線Ｗ１〜Ｗ６に付与される磁界が変化する。これにより、出力巻線Ｗ１〜Ｗ６から、ロータ４１の回転角（電気角）θｅに応じた以下の（ｂ１）〜（ｂ６）に示す電圧信号Ｖ１〜Ｖ６がそれぞれ出力される。なお、「Ｋ」は変圧比を示す。
【００３０】
（ｂ１）第１の出力巻線Ｗ１から電圧信号Ｖ１（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ））が出力される。
（ｂ２）第２の出力巻線Ｗ２から電圧信号Ｖ２（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ＋３０°））が出力される。
【００３１】
（ｂ３）第３の出力巻線Ｗ３から電圧信号Ｖ３（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ＋１２０°））が出力される。
（ｂ４）第４の出力巻線Ｗ４から電圧信号Ｖ４（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ＋１５０°））が出力される。
【００３２】
（ｂ５）第５の出力巻線Ｗ５から電圧信号Ｖ５（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ＋２４０°））が出力される。
（ｂ６）第６の出力巻線Ｗ６から電圧信号Ｖ６（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ＋２７０°））が出力される。
【００３３】
このように、第１のレゾルバ４０では、励磁巻線Ｗｅ及びロータ４１が磁界生成部となるとともに、第１〜第６の出力巻線Ｗ１〜Ｗ６が磁界検出部となっている。そして、第１のレゾルバ４０から出力される６相の電圧信号Ｖ１〜Ｖ６は、上記制御装置１５に取り込まれている。
【００３４】
一方、図２に示すように、ロアシャフト２１の上端部には、その回転角度を検出する第２のレゾルバ５０が設けられている。この第２のレゾルバ５０は、ロアシャフト２１の上端部に固定されて同ロアシャフト２１と一体回転するロータ５１と、ハウジング３０に固定されてロータ５１を囲繞する環状のステータ５２とから構成されている。この第２のレゾルバ５０は、基本的には上記第１のレゾルバ４０と同様の構造を有しているため、その詳細な説明は割愛する。なお、第２のレゾルバ５０の軸倍角は「４Ｘ」に設定されている。そして、この第２のレゾルバ５０から出力される電圧信号も、上記制御装置１５に取り込まれている。
【００３５】
また一方、第１のレゾルバ４０の上部には、遊星歯車機構６０が設けられている。図４に示すように、遊星歯車機構６０は、インプットシャフト２０に固定されて同シャフト２０と一体回転する太陽歯車６１と、太陽歯車６１を囲繞するように設けられてハウジング３０（図示略）の内部に固定された内歯車６２と、太陽歯車６１及び内歯車６２に噛合された遊星歯車６３とから構成されている。なお、図４では、便宜上、ハウジング３０の図示を割愛している。各歯車６１〜６３はかさ歯車からなるものであって、このうち、太陽歯車６１は、図２に示すように、歯の形成された外周部分が第１のレゾルバ４０側ほど拡径された形状を有している。また、内歯車６２は、歯の形成された内周部分が第１のレゾルバ４０側ほど縮径された形状を有している。これにより、太陽歯車６１と内歯車６２との間の隙間は、第１のレゾルバ４０側ほど狭くなっている。そして、これら太陽歯車６１及び内歯車６２に対し、遊星歯車６３が先端部を下方に向けた状態で噛合されることによって、遊星歯車６３の第１のレゾルバ４０側への移動が規制されている。なお、太陽歯車６１及び内歯車６２は、非磁性体により形成されている。一方、遊星歯車６３は、基本的には磁性体により形成されており、その歯の形成されている部分のみが樹脂成形されている。そしてこのように、遊星歯車６３の歯の形成されている部分を樹脂成形することにより、遊星歯車６３と太陽歯車６１との間、並びに遊星歯車６３と内歯車６２の間での異音の発生が抑制されている。一方、遊星歯車６３の上面には、ハウジング３０の内壁面に形成された溝部３３に挿入される軸部６３ａが設けられている。図５に示すように、溝部３３は遊星歯車６３の公転軌道に沿って円形状に形成されている。これにより、遊星歯車６３は、溝部３３によって太陽歯車６１の周囲を公転運動可能に支持されている。なお、この遊星歯車機構６０では、太陽歯車６１の歯数が「４０」に、内歯車の歯数が「５０」に設定されることにより、太陽歯車６１が１回転する間に、すなわちインプットシャフト２０が１回転する間に、遊星歯車６３が太陽歯車６１の周囲を４／９（＝５０／（５０＋４０））回転するように設定されている。このような構造からなる遊星歯車機構６０によれば、遊星歯車６３をハウジング３０と太陽歯車６１との間、並びにハウジング３０と内歯車６２との間で挟持することができるため、別途の支持構造を設けることなく、遊星歯車６３を簡単且つ的確に支持することができる。
【００３６】
なお、図２に示すように、第１のレゾルバ４０のステータ４２と第２のレゾルバ５０のステータ５２との間、並びに第２のレゾルバ５０のステータ５２と第２のハウジング３２との間には、ステータ４２，５２の軸方向への移動を規制するための円環状のストッパ７０，７１がそれぞれ設けられている。
【００３７】
トルクセンサ１４のこのような構造によれば、図６に示すように、その組み立ての際に、第１のハウジング３１の開口部分を上方に向けた状態で、その開口部分から遊星歯車機構６０や第１のレゾルバ４０などを順次第１のハウジング３１の内部に収容すれば、各構成要素を第１のハウジング３１に容易に組み付けることができる。このため、トルクセンサ１４の組み立てが容易となる。
【００３８】
一方、制御装置１５は、第１のレゾルバ４０から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のうちのいずれか２つの電圧信号の値に基づいて周知の逆正接値演算を行うことにより、ロータ４１の回転角（電気角）、換言すればインプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓを求める。また、制御装置１５は、第２のレゾルバ５０から出力される電圧信号に基づいて同様に逆正接値演算を行うことにより、ロアシャフト２１の回転角（電気角）θｅｐも求める。そして、制御装置１５は、インプットシャフト２０の回転角θｅｓ及びロアシャフト２１の回転角θｅｐの差分値を演算し、演算された差分値にトーションバー２２のばね定数を積算することにより操舵トルクを求める。
【００３９】
また、制御装置１５は、第１のレゾルバ４０から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６に基づいてインプットシャフト２０の絶対回転角θｅａを検出することにより、ステアリングホイール１の操舵角を求める。このように、本実施形態では、制御装置１５が、ステアリングホイール１の操舵角を検出する回転角検出手段となっている。
【００４０】
次に、インプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａの検出原理について、先の図３、図４、及び図７を参照して説明する。なおここでは、ステアリングホイール１が中立位置に位置しているときに遊星歯車６３が図４の二点鎖線の位置に位置しているとする。そして、図４では、遊星歯車６３が図中の二点鎖線の位置を基準位置として矢印ａで示す方向へ公転したとき、公転軸と基準位置における遊星歯車６３の中心とを結ぶ直線（図中の破線）に対して、公転軸と公転位置における遊星歯車６３の中心とを結ぶ直線がなす角度（公転角）をθｐで示している。また、ステアリングホイール１が中立位置であるときのインプットシャフト２０の位置を基準位置として、この基準位置から矢印ａで示す方向へのインプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）をθｅａで示している。さらに、図３では、ステアリングホイール１が中立位置であるときのロータ４１の位置を基準位置として、この基準位置から矢印ａで示す方向へのロータ４１の回転角をθｅで示している。また、図３及び図４では、遊星歯車６３の公転運動の軌跡（より詳細にはその中心軸ｍの軌跡）を一点鎖線で示している。
【００４１】
例えば運転者によってステアリングホイール１が「２０２．５°」だけ回転操作されたとすると、インプットシャフト２０も絶対角（機械角）で「２０２．５°」だけ回転する。この場合、図４に示すように、遊星歯車６３の公転角θｐは「９０°（＝２０２．５°×４／９）」となるため、図３に二点鎖線で示すように、遊星歯車６３がティースＴ４に近接する。よって、第６の出力巻線Ｗ６に付与される磁界が遊星歯車６３の影響を受けて変化する。具体的には、第６の出力巻線Ｗ６の周辺の磁路が増加するため、第６の出力巻線Ｗ６に付与される磁束が増加し、第６の出力巻線Ｗ６における磁気抵抗が減少する。したがって、第６の出力巻線Ｗ６から出力される電圧信号Ｖ６の大きさが先の（ｂ６）に示した通常の電圧信号よりも大きくなり、電圧信号Ｖ６が異常値を示すようになる。
【００４２】
そこで、制御装置１５では、第１〜第６の出力巻線Ｗ１〜Ｗ６の電圧信号Ｖ１〜Ｖ６の大きさと予め定められた閾値とを比較することで、異常な電圧信号を出力している出力巻線を特定し、特定された出力巻線が巻回されているティースに対応する位置に遊星歯車６３が位置していると判断するようにしている。このような判断方法により、制御装置１５は、例えば第６の出力巻線Ｗ６から出力される電圧信号が閾値よりも大きい場合には、遊星歯車６３の公転角θｐがティースＴ４に対応する「９０°」、あるいはティースＴ１０に対応する「２７０°」であると判断する。
【００４３】
一方、インプットシャフト２０が絶対角（機械角）で「２０２．５°」だけ回転したとすると、第１のレゾルバ４０では、図３に示すロータ４１の回転角（電気角）θｅが「１０１２．５（＝２０２．５°×５）」となる。よって、第１のレゾルバ４０の電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のうちのいずれか２つの組み合わせから演算されるインプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓは、通常であれば、「２９２．５°（＝１０１２°−３６０×２°）」となるはずである。しかしながら、第６の出力巻線Ｗ６から出力される電圧信号Ｖ６が異常である場合、この電圧信号Ｖ６との組み合わせから演算される回転角θｅｓだけが異常な角度となる。したがって、図７に示すように、電圧信号Ｖ１〜Ｖ６から演算可能な１５個の回転角θｅｓのうち、電圧信号Ｖ６との組み合わせから演算される５個の回転角θｅｓだけが「２９２．５°」と異なる角度となる。そこで、制御装置１５では、第１のレゾルバ４０の電圧信号Ｖ１〜Ｖ６から演算される１５個の回転角θｅｓの多数決をとることで、インプットシャフト２０の正しい回転角θｅｓを検出することとしている。すなわち、図７に示すような１５個の回転角θｅｓが演算された場合には、「２９２．５°」を示すものが１０個、それ以外の角度を示すものが５個となるため、インプットシャフト２０の回転角θｅｓは「２９２．５°」であると判断する。
【００４４】
なお、例えば遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐが「１０５°」である場合、すなわち遊星歯車６３がティースＴ４とティースＴ５との間に位置している場合には、遊星歯車６３が第６の出力巻線Ｗ６ばかりでなく、第３の出力巻線Ｗ３にも近接するため、電圧信号Ｖ３及びＶ６が異常値を示す。この場合、図８に示すように、制御装置１５により演算される１５個の回転角θｅｓのうち、電圧信号Ｖ３及びＶ６の組み合わせから演算される９個の回転角がそれぞれ異なる異常値ａ〜ｉとなり、残りの６個の回転角が正常値となる。このため、多数決をとれば、同様にインプットシャフト２０の回転角θｅｓを検出することが可能である。
【００４５】
以上のような判断方法により、制御装置１５は、遊星歯車６３の公転角θｐが機械角で「９０°」、あるいは「２７０°」であること、並びにインプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓが「２９２．５°」であることを検出する。そして、制御装置１５は、これらの検出結果から多回転を含むインプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａを次のように演算する。
【００４６】
まず、インプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａ、多数決により検出されるインプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓ、及び遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐとの間には、以下の式（１）のような関係式が成立する。なお、「Ｎｐ」はインプットシャフト２０が一回転する間に遊星歯車６３が公転する回転数を示すとともに、「Ａｘ」は第１のレゾルバ４０の軸倍角を示す。
【００４７】
θｐ＝θｅａ×Ｎｐ／Ａｘ
＝（θｅｓ＋３６０°×ｎ）×４／４５・・・（１）
但し、ｎは整数を示す。
【００４８】
そして、制御装置１５は、「ｎ」の値を順次変更しながら、遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐが「９０°−Δθ≦θｐ≦９０°＋Δθ」あるいは「２７０°−Δθ≦θｐ≦２７０°＋Δθ」となる「ｎ」を求める。なお、「Δθ」は、出力巻線Ｗ１〜Ｗ６から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６が閾値を超えると想定される角度範囲として予め設定された定数であり、本実施形態では、「７．５°」が採用される。これにより、遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐは、例えば以下の（ｃ１）及び（ｃ２）の演算を経て特定される。
【００４９】
（ｃ１）ｎ＝１であるとき。
θｐ＝（２９２．５＋３６０°×１）×４／４５＝５８°
（ｃ２）ｎ＝２であるとき。
【００５０】
θｐ＝（２９２．５＋３６０°×２）×４／４５＝９０°
そして、（ｃ２）の演算を行った時点で、演算された公転角（機械角）θｐが「９０°−Δθ≦θｐ≦９０°＋Δθ」を満たすため、この式（ｃ２）の演算結果から「ｎ＝２」であることがわかる。すなわち、インプットシャフト２０が電気角の位相で２周期だけ回転していること、換言すればインプットシャフト２０の回転数が「０．４（＝２／５）」であることがわかる。これにより、制御装置１５は、インプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａが「１０１２．５（＝２９２．５＋３６０°×２）」であることを検出する。
【００５１】
図９は、こうしたインプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａの検出方法のもとに制御装置１５を通じてステアリングホイール１の操舵角を演算する処理をフローチャートとして示したものであり、以下、この図９を参照して第１のレゾルバ４０の動作例（作用）について説明する。なお、この図９に示す処理は、実際には所定の演算周期をもって繰り返し実行される。
【００５２】
図９に示すように、この処理では、まず、第１のレゾルバ４０から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６と所定の閾値とをそれぞれ比較することで電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のいずれが異常値を示しているかが特定されて（ステップＳ１）、その結果から遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐが検出される（ステップＳ２）。次いで、電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のうちのいずれか２つの組み合わせから１５個のロータ４１の回転角（電気角）θｅｓがそれぞれ演算され（ステップＳ３）、演算された１５個のロータ４１の回転角（電気角）θｅｓの多数決をとることで、インプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓが検出される（ステップＳ４）。次いで、検出された遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐ、及びインプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓに基づいてその絶対回転角（電気角）θｅａが演算される（ステップＳ５）。具体的には、先の式（１）を満たす「ｎ」を検索することでインプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａが演算される。そして、演算されたインプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａから第１のレゾルバ４０の軸倍角に基づいてステアリングホイール１の操舵角（機械角）が演算される（ステップＳ６）。
【００５３】
このようなトルクセンサ１４によれば、第１のレゾルバ４０に遊星歯車機構６０を設けるだけでステアリングホイール１の操舵角を検出することができるため、インプットシャフト２０の回転数を検出する回転数検出装置を別途設ける場合と比較すると、構造の簡素化を図ることができる。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態にかかるトルクセンサによれば、以下のような効果が得られるようになる。
（１）第１のレゾルバ４０には、インプットシャフト２０と一体となって回転する太陽歯車６１、同太陽歯車６１の回転に基づきその周囲を公転する磁性体からなる遊星歯車６３、及び遊星歯車６３に噛合される内歯車６２により構成される遊星歯車機構６０を設けることとした。また、第１のレゾルバ４０に設けられた第１〜第６の出力巻線Ｗ１〜Ｗ６から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６に基づいてインプットシャフト２０の回転角θｅｓ及び遊星歯車６３の公転角θｐをそれぞれ検出するようにした。そして、インプットシャフト２０の回転角θｅｓ及び遊星歯車６３の公転角θｐに基づいてインプットシャフト２０の絶対回転角θｅａを演算し、その演算結果からステアリングホイール１の操舵角を求めることとした。これにより、第１のレゾルバ４０に遊星歯車機構６０を設けるだけでステアリングホイール１の操舵角を検出することができるため、インプットシャフト２０の回転数を検出するための回転数検出装置を別途設ける場合と比較すると、構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００５５】
（２）遊星歯車の公転角θｐの検出を、第１のレゾルバ４０の第１〜第６の出力巻線Ｗ１〜Ｗ６から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のうちのいずれが異常値を示しているかを特定することで行うこととした。これにより、遊星歯車６３の公転角θｐを容易に検出することができるようになる。
【００５６】
（３）インプットシャフト２０の回転角θｅｓの検出を、第１のレゾルバ４０から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のうちのいずれか２つの組み合わせからインプットシャフト２０の回転角θｅｓを複数演算し、その複数の演算結果の多数決をとることにより行うこととした。これにより、インプットシャフト２０の回転角θｅｓを容易に検出することができるようになる。
【００５７】
（４）遊星歯車６３を、ハウジング３０と太陽歯車６１の間、並びにハウジング３０と内歯車６２との間で挟持することとした。これにより、遊星歯車６３を支持するための部材を別途設けることなく、遊星歯車６３を簡単且つ的確に支持することができるため、構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００５８】
（５）トルクセンサ１４に設けられた第１のレゾルバ４０を通じてステアリングホイール１の操舵角を検出することとした。これにより、ステアリングホイール１の操舵角を検出するセンサを別途設ける必要がなくなるため、利便性が大幅に向上するようになる。
【００５９】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、第１のレゾルバ４０が６相の電圧信号を出力するものであったが、電圧信号の出力数については適宜変更可能である。但し、第１のレゾルバ４０が４相以下の出力である場合には、次のことが懸念される。例えば第１のレゾルバ４０が４相の電圧信号Ｖ１０〜Ｖ１３を出力する構造を有しているとするときに、２つのティース間に遊星歯車６３が位置するなどして、それらうちの２つの電圧信号Ｖ１２及びＶ１３が異常値を示したとする。この場合、図１０に示すように、４相の電圧信号Ｖ１０〜Ｖ１３のうちのいずれか２つの組み合わせから演算可能な６個の回転角θｅｓのうち、演算結果が異常値ｂ１〜ｂ５を示すものが５つとなり、正常値となるものが１つだけとなってしまう。このため、演算結果の多数決をとるといった方法ではロータ４１の回転角θｅｓを特定することができないおそれがある。また、第１のレゾルバ４０が３相出力の構造である場合には、それらのうちの２つの電圧信号が異常値を示すと、演算結果が正常値を示すものが無くなるため、同様にロータ４１の回転角θｅｓを特定することができないおそれがある。このため、第１のレゾルバ４０の電圧信号の出力数については５相以上であることが望ましい。なお、第１のレゾルバ４０が３相出力あるいは４相出力の構造を有している場合でも、例えば各出力巻線を離間して配置するなどすれば、遊星歯車６３が２つの出力巻線に影響を及ぼすような状況を回避することが可能である。したがって、このような構造であれば、演算結果の多数決をとるといった方法でロータ４１の回転角θｅｓを特定することが可能である。
【００６０】
・第１のレゾルバ４０の軸倍角を適宜変更してもよい。
・上記実施形態では、遊星歯車機構６０の各歯車６１〜６３がかさ歯車からなるものであったが、図１１に示すように、各歯車６１〜６３が平歯車であってもよい。この場合、図中に示すように、遊星歯車６３の歯の形成されている部分と軸部６３ａとの間にフランジ部６３ｂを設けることが有効である。これにより、フランジ部６３ｂによって遊星歯車６３の第１のレゾルバ４０側への移動が規制されるため、遊星歯車６３の位置を的確に保持することができる。
【００６１】
・上記実施形態では、ハウジング３０の内部に内歯車６２を固定し、この内歯車６２に遊星歯車６３を噛合させることとしたが、内歯車６２についてはこれを外歯車に代えることも可能である。また、遊星歯車を遊星キャリアにより自転及び公転可能に支持してもよい。具体的には、図１２に示すように、遊星歯車６３の軸部６３ａには、外歯を形成する。また、ハウジング３０の内壁において太陽歯車６１の上方にあたる部分には、遊星歯車６３の軸部６３ａに形成された外歯に噛合される外歯車６４を固定する。なお、この外歯車６４の中央部には挿通孔６４ａを形成し、この挿通孔６４ａにインプットシャフト２０を挿通させる。一方、太陽歯車６１の下方には、軸受け８２を介してインプットシャフト２１に支持される遊星キャリア６５を設け、この遊星キャリア６５により遊星歯車６３を自転及び公転運動可能に支持する。このような構成であっても、インプットシャフト２０の回転に伴い遊星歯車６３を公転させることができるため、上記実施形態に準じた効果を得ることが可能である。
【００６２】
・上記実施形態では、遊星歯車６３の公転位置を、対向する２つのティースのうちのいずれかの位置というかたちで検出、換言すれば遊星歯車６３の公転位置として候補となる２つの位置を検出した上で、上記（ｃ１）及び（ｃ２）に例示した演算を通じてインプットシャフト２０の絶対回転角θｅａを検出することとした。これに代えて、遊星歯車６３の公転位置が、対向する２つのティースのうちのいずれの位置であるかを更に特定してもよい。具体的には、先の図３に示すように、遊星歯車６３が第１の出力巻線Ｗ１に近接している状況としては、遊星歯車６３がティースＴ１に近接している状況と、ティースＴ７に近接している状況の２つの状況が想定されるが、これら２つの状況では、ロータ４１の回転角θｅが異なるため、第１の出力巻線Ｗ１から出力される電圧信号Ｖ１の大きさが異なる。これを利用すれば、例えば遊星歯車６３が近接する出力巻線を特定したときに、その特定された出力巻線から出力される電圧信号の大きさに基づいて、対向する２つのティースのうちのいずれに遊星歯車６３が位置しているかを特定することができる。このようにして遊星歯車６３の位置を特定することとすれば、より正確にインプットシャフト２０の絶対回転角θｅａを検出することが可能となる。
【００６３】
・上記実施形態では、遊星歯車機構６０の各歯車６１〜６３をかさ歯車とするとともに、ハウジング３０に形成された溝部３３に遊星歯車６３の軸部６３ａを挿入することで、遊星歯車６３を保持することとした。このようなハウジング３０の溝部３３による遊星歯車６３の保持に代えて、例えば遊星歯車６３とは別に、非磁性体からなる新たな遊星歯車を太陽歯車６１及び内歯車６２に噛合させた上で、この新たな遊星歯車と遊星歯車６３とを遊星キャリアにより連結することで、遊星歯車６３を支持してもよい。
【００６４】
・上記実施形態では、遊星歯車６３を磁性体により形成することとしたが、これに代えて、磁気を遮蔽する部材、例えばアルミニウムなどにより形成してもよい。要は、遊星歯車６３が、励磁巻線Ｗｅにより形成される磁界を変化させる部材により形成されていればよい。
【００６５】
・上記実施形態では、インプットシャフト２０が１回転する間に遊星歯車６３が太陽歯車６１の周囲を４／９回転する構造を採用することとしたが、遊星歯車６３の回転数については適宜変更可能である。要は、インプットシャフト２０が１回転する間に遊星歯車６３が太陽歯車６１の周囲を非整数回だけ回転する構造であれば、遊星歯車６３の公転角に基づいてインプットシャフト２０の絶対回転角を検出することが可能である。
【００６６】
・上記実施形態では、本発明にかかるトルクセンサを、車両の電動パワーステアリング装置に適用することとしたが、本発明は、トルクセンサを具備する任意の装置に適用することが可能である。また、トルクセンサに限らず、回転体の回転角を検出するレゾルバであれば、本発明を適用することが可能である。
【００６７】
・上記実施形態では、本発明にかかる回転角検出装置をレゾルバに適用することとしたが、例えばホール素子や磁気抵抗素子などを利用して回転体の回転角を検出する回転角検出装置など、適宜の回転角検出装置に適用することが可能である。図１３に、ホール素子を利用した回転角検出装置の一例を示す。図１３に示すように、この回転角検出装置は、その軸倍角が「５Ｘ」に設定された装置であって、インプットシャフト２０と一体回転する１０極磁石からなるロータ９０と、ハウジング３０に固定されてロータ９０を囲繞するステータ９１とを備えている。このうち、ステータ９１の内壁には、ロータ９０の周方向に沿って等間隔に６つのホール素子９２ａ〜９２ｆが取り付けられている。そして、この回転角検出装置は、ホール素子９２ａ〜９２ｆの出力に基づいてロータ９０の回転角（電気角）、換言すればインプットシャフト２０の回転角（電気角）を検出する。このような回転角検出装置についても、上述した遊星歯車機構６０を設ければ、ロータ９０が回転するときに、図中に一点鎖線で示すように、ロータ９０及びホール素子９２ａ〜９２ｆの近傍にて遊星歯車６３を公転させることができるため、ホール素子９１ａ〜９１ｆの出力に基づいてインプットシャフト２０の多回転の絶対回転角を求めることが可能である。すなわち、上記実施形態に準じた効果を得ることが可能である。要は、回転体の回転方向に沿って配設される複数の磁界検出部と、これら複数の磁界検出部に付与する磁界を生成する磁界生成部とを有して、回転体の回転に伴い磁界に生じる変化を磁界検出部を通じて検出することにより回転体の回転角を検出する回転角検出装置であれば、本発明にかかる回転角検出装置を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
Ｔ１〜Ｔ９…ティース、Ｗ１〜Ｗ６…出力巻線、Ｗｅ…励磁巻線、１…ステアリングホイール、２…ステアリングシャフト、３…コラムシャフト、４…インターミディエイトシャフト、５…ピニオンシャフト、６…ラックピニオン機構、７…ラック軸、８…タイロッド、９…転舵輪、１０…電動パワーステアリング装置、１１…電動モータ、１２…減速機構、１３…車速センサ、１４…トルクセンサ、１５…制御装置、２０…インプットシャフト、２１…ロアシャフト、２２…トーションバー、３０…ハウジング、３１…第１のハウジング、３２…第２のハウジング、３３…溝部、４０…第１のレゾルバ、４１，５１，９０…ロータ、４２，５２，９１…ステータ、４４…ステータコア、５０…第２のレゾルバ、６０…遊星歯車機構、６１…太陽歯車、６２…内歯車、６３…遊星歯車、６３ａ…軸部、６３ｂ…フランジ部、６４…外歯車、６４ａ…挿通孔、６５…遊星キャリア、７０，７１…ストッパ、８０，８１，８２…軸受け、９１ａ〜９１ｆ…ホール素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の絶対回転角を多回転においても検出することが可能な回転角検出装置、及びトルクセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の操舵系にアシストトルクを付与することにより運転者のステアリング操作を補助する、いわゆるパワーステアリング装置が周知である。そして従来、この種のパワーステアリング装置としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１に記載のパワーステアリング装置は、運転者によるステアリングホイールの操作に基づきステアリングシャフトに付与される操舵トルクを検出するトルクセンサと、ステアリングシャフトにアシストトルクを付与する電動モータとを備えている。このうち、ステアリングシャフトは、ステアリングホイールに連結されるインプットシャフトと、ラック軸などを介して車両の操舵輪に連結されるロアシャフトとがトーションバーを介して互いに連結された構造を有している。トルクセンサは、インプットシャフト及びロアシャフトのそれぞれの回転角を回転角センサを通じて検出し、検出された各シャフトの回転角の差分値に基づいてステアリングシャフトに付与された操舵トルクを検出する。そして、このパワーステアリング装置では、トルクセンサを通じて検出される操舵トルクに基づいて電動モータの駆動量を制御することによって、ステアリングシャフトにアシスト力が付与されるようになっている。
【０００３】
また、この特許文献１に記載のパワーステアリング装置では、ロアシャフトの回転数を検出する回転数検出装置を設け、この回転数検出装置を通じて検出されるロアシャフトの回転数と、トルクセンサを通じて検出されるロアシャフトの回転角とに基づいてステアリングホイールの多回転の操舵角を絶対角で検出するようにしている。これにより、トルクセンサを通じて検出されるステアリングホイールの操舵角を利用して、例えばＶＳＣ（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）や自動駐車制御などを実行することができるため、利便性が向上するようになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２４５６４２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、この特許文献１に記載のトルクセンサでは、ステアリングホイールの操舵角を検出するために、ロアシャフトの回転数を検出する回転数検出部が必要となる。そしてこのことが、トルクセンサの構造の複雑化を招き、ひいてはコストの増大を招く一つの要因となっていた。
【０００６】
なお、このような課題は、ステアリングホイールの操舵角を検出することの可能なトルクセンサに限らず、回転体の多回転の絶対回転角を検出する回転角検出装置に共通する課題である。
【０００７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転体の多回転の絶対回転角を検出することが可能でありながらも、構造の簡素化を図ることのできる回転角検出装置、及び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】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転体の回転方向に沿って配設される複数の磁界検出部と、同複数の磁界検出部に付与する磁界を生成する磁界生成部と、前記回転体と一体となって回転する太陽歯車と、前記磁界を変化させ得る部材により形成されて前記太陽歯車の回転に基づきその周囲を公転する遊星歯車と、を備え、前記磁界生成部は、前記回転体の回転に伴い前記複数の磁界検出部に対して相対回転し、前記遊星歯車は、前記複数の磁界検出部の配置に対応した軌道を公転することを要旨とする。
【０００９】
同構成によれば、回転体の回転に伴い太陽歯車が回転すると、太陽歯車の周囲を遊星歯車が公転するため、回転体の回転角に応じて遊星歯車の位置が変化する。よって、遊星歯車の位置から回転体の回転数を特定することが可能である。一方、公転する遊星歯車が複数の磁界検出部のうちのいずれかに接近すると、その磁界検出部に付与される磁界が遊星歯車の影響を受けて変化するため、磁界検出部の出力が変化する。したがって、磁界検出部の出力の変化に基づいて遊星歯車の位置を検出することは可能である。そして、検出された遊星歯車の位置から回転体の回転数を特定すれば、特定された回転体の回転数、並びに磁界検出部の出力に基づいて検出される回転体の回転角を用いて、回転体の多回転の絶対回転角を検出することができる。そしてこれにより、遊星歯車機構を設けるだけで回転体の絶対回転角を検出することができるため、従来の回転角検出装置のように、回転数検出装置を別途設ける場合と比較すると、構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００１０】
そしてこの場合、前記複数の磁界検出部に対応する遊星歯車の位置を検出する方法としては、請求項２に記載の発明によるように、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力のうちのいずれが異常値を示しているかを特定することで行う、といった構成を採用することが有効であり、これにより遊星歯車の位置を容易に検出することができるようになる。
【００１１】
さらにこの場合、回転体の回転角を検出する方法としては、請求項３に記載の発明によるように、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力に基づいて前記回転体の回転角を複数演算し、それら複数の演算結果の多数決をとることに基づいて行う、といった方法を採用することが有効であり、これにより回転体の回転角を容易に検出することができるようになる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の回転角検出装置において、前記回転体の回転角の検出が、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力のうちのいずれか２つの組み合わせに基づいて行われるものであって、前記磁界検出部が、５つ以上設けられていることを要旨とする。
【００１３】
このような回転角検出装置では、例えば２つの磁界検出部が近接して配置されているような場合、これら２つの磁界検出部に遊星歯車が近接すると、２つの磁界検出部の出力が変化してしまう。ここで、例えばレゾルバなどのように、複数の磁界検出部のそれぞれの出力のうちのいずれか２つの組み合わせから回転体の回転角を演算することが可能な回転角検出装置では、磁界検出部の数が４つ以下である場合、２つの磁界検出部の出力が異常値を示すと、磁界検出部の出力に基づき演算される回転体の回転角が正常値となるものが全くないか、あっても１つだけとなるため、多数決をとることができない。したがって、複数の演算結果の多数決に基づき回転体の回転角を検出するためには、上記構成によるように、磁界検出部を５つ以上設けることが有効となる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転角検出装置において、前記遊星歯車を公転運動可能に支持するハウジングと、前記太陽歯車を囲繞するように設けられて前記遊星歯車が噛合される内歯車と、を更に備え、前記遊星歯車は、前記ハウジングと前記太陽歯車との間、並びに前記ハウジングと前記内歯車との間で挟持されていることを要旨とする。
【００１５】
同構成によるように、ハウジングと太陽歯車との間、並びにハウジングと内歯車との間で遊星歯車を挟持することとすれば、遊星歯車を支持するための部材を別途設けることなく、遊星歯車を簡単且つ的確に支持することができるため、構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、第１の回転体の回転角を検出する第１の回転角検出装置と、前記第１の回転体とトーションバーを介して同一軸線上に連結される第２の回転体の回転角を検出する第２の回転角検出装置と、を備え、前記第１の回転体の回転角及び前記第２の回転体の回転角の差分に基づいて前記第１の回転体に付与されるトルクを検出するトルクセンサにおいて、前記第１の回転角検出装置として請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転角検出装置を用いることを要旨とする。
【００１７】
同構成によれば、トルクセンサを通じて、回転体に付与されるトルクと共に、回転体の絶対回転角を検出することが可能となるため、利便性が大幅に向上するようになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる回転角検出装置、及びトルクセンサによれば、回転体の多回転の絶対回転角を検出することが可能でありながらも、構造の簡素化を図ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】車両の電動パワーステアリング装置の概要を示すブロック図。
【図２】本発明にかかるトルクセンサの一実施形態についてその断面構造を示す断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った部分断面構造を示す断面図。
【図４】図２のＢ−Ｂ線に沿った断面構造を示す断面図。
【図５】図２のＣ−Ｃ線に沿った断面構造を示す断面図。
【図６】同実施形態のトルクセンサについてその組み立て方法を示す断面図。
【図７】同実施形態のトルクセンサに設けられた第１のレゾルバの出力例を示す図表。
【図８】同実施形態のトルクセンサに設けられた第１のレゾルバの出力例を示す図表。
【図９】同実施形態のトルクセンサによるステアリングホイールの操舵角を演算する処理の手順を示すフローチャート。
【図１０】本発明にかかるトルクセンサの他の例について第１のレゾルバの出力例を示す図表。
【図１１】本発明にかかるトルクセンサの他の例についてその断面構造を示す断面図。
【図１２】本発明にかかるトルクセンサの他の例についてその断面構造を示す断面図。
【図１３】本発明にかかる回転角検出装置の一例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明にかかるトルクセンサを車両の電動パワーステアリング装置のトルクセンサに適用した一実施形態について図１〜図９を参照して説明する。はじめに、図１を参照して、本実施形態の車両の電動パワーステアリング装置の概要について説明する。
【００２１】
図１に示すように、この車両では、ステアリングホイール１が運転者により操作されると、ステアリングホイール１に付与された操舵力に基づいてステアリングシャフト２が回転する。なお、ステアリングシャフト２は、コラムシャフト３、インターミディエイトシャフト４、及びピニオンシャフト５を連結してなる。そして、ステアリングシャフト２の回転はラックアンドピニオン機構６を介してラック軸７の往復直線運動に変換され、このラック軸７の往復直線運動がその両端に連結されたタイロッド８を介して転舵輪９に伝達されることにより、転舵輪９の舵角、すなわち車両の進行方向が変更される。
【００２２】
こうした車両において、本実施形態の電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ１１が減速機構１２を介してコラムシャフト３に連結された構造を有している。そして、この電動パワーステアリング装置１０は、電動モータ１１の回転を減速機構１２により減速してコラムシャフト３に伝達することにより、モータトルクをアシスト力として操舵系に付与する。
【００２３】
また、この車両には、車両の状態やステアリングホイール１の操作量を検出する各種センサが設けられている。例えば車両には、車速を検出する車速センサ１３が設けられている。また、ステアリングシャフト２には、同シャフト２に働くトルク、すなわち運転者からステアリングホイール１に付与される操舵トルクを検出するトルクセンサ１４が設けられている。このトルクセンサ１４は、ステアリングシャフト２の多回転の絶対回転角、すなわちステアリングホイール１の操舵角を検出する部分でもある。そして、これら各センサ１３，１４の出力は、マイクロコンピュータを中心に構成されて電動モータ１１の駆動を統括的に制御する制御装置１５に入力される。この制御装置１５は、各センサを通じて検出される車速、及び操舵トルクに基づいて運転者の操舵トルクの目標値である目標トルクを算出し、トルクセンサ１４により検出される操舵トルクが目標トルクとなるように電動モータ１１に流される電流をフィードバック制御する。
【００２４】
次に、図２を参照して、トルクセンサ１４の構造について詳述する。
図２に示すように、トルクセンサ１４が取り付けられるコラムシャフト３は、第１の回転体としてのインプットシャフト２０、及び第２の回転体としてのロアシャフト２１がトーションバー２２を介して互いに同一軸線上に連結された構造を有している。このうち、インプットシャフト２０は、ハウジング３０の上部に設けられた軸受け８０によって回転可能に支持されており、その上端部がステアリングホイール１に連結されている。また、ロアシャフト２１は、ハウジング３０の下部に設けられた軸受け８１によって回転可能に支持されており、その下端部がインターミディエイトシャフト４に連結されている。これにより、運転者によってステアリングホイール１に付与された操舵力がインプットシャフト２０に伝達されると、その操舵トルクがトーションバー２２を介してロアシャフト２１に伝達される際にトーションバー２２にねじれ変形が生じる。すなわち、インプットシャフト２０とロアシャフト２１との間に操舵トルクに応じた回転角度差が生じるようになっている。
【００２５】
また、ハウジング３０は、軸受け８０が設けられて下方側が開口された箱状の第１のハウジング３１と、軸受け８１が設けられて第１のハウジング３１の開口部分を閉塞する第２のハウジング３２とから構成されている。このように、ハウジング３０を２つの部分からなる分割体として構成することにより、その組み付けに際しての利便性が高められている。このハウジング３０の内部にはトルクセンサ１４が収容され、トルクセンサ１４は、インプットシャフト２０の回転角度を検出する第１の回転角検出装置としての第１のレゾルバ４０、及びロアシャフト２１の回転角度を検出する第２の回転角検出装置としての第２のレゾルバ５０を備えている。
【００２６】
このうち、第１のレゾルバ４０は、インプットシャフト２０の下端部に固定されて同インプットシャフト２０と一体回転するロータ４１と、ハウジング３０に固定されてロータ４１を囲繞する環状のステータ４２とから構成されている。このうち、ロータ４１は磁性体からなるものであって、図３に示すように、その外周面に５つの突出部が形成されている。すなわち、第１のレゾルバ４０は、その軸倍角が「５Ｘ」に設定されている。なお、図３では、便宜上、ハウジング３０の図示を割愛している。一方、ステータ４２は、磁性体により形成されてロータ４１に対向するようにして１２個のティースＴ１〜Ｔ１２が「３０°」の角度間隔を隔てて設けられたステータコア４４、及びこれらティースＴ１〜Ｔ１２に巻回された以下の（ａ１）〜（ａ７）に示す励磁巻線Ｗｅ、並びに６本の出力巻線Ｗ１〜Ｗ６から構成されている。
【００２７】
（ａ１）全てのティースＴ１〜Ｔ１２に巻回される励磁巻線Ｗｅ。
（ａ２）ティースＴ１、及びこれに対向するＴ７に巻回される第１の出力巻線Ｗ１。
（ａ３）ティースＴ２、及びこれに対向するＴ８に巻回される第２の出力巻線Ｗ２。
【００２８】
（ａ４）ティースＴ５、及びこれに対向するＴ１１に巻回される第３の出力巻線Ｗ３。
（ａ５）ティースＴ６、及びこれに対向するＴ１２に巻回される第４の出力巻線Ｗ４。
（ａ６）ティースＴ９、及びこれに対向するＴ３に巻回される第５の出力巻線Ｗ５。
【００２９】
（ａ７）ティースＴ１０、及びこれに対向するＴ４に巻回される第６の出力巻線Ｗ６。
そして、この第１のレゾルバ４０では、励磁巻線Ｗｅに励磁電圧Ｖｅ（＝Ｅ×ｓｉｎ（ωｔ））が印加されることにより、励磁巻線Ｗｅから出力巻線Ｗ１〜Ｗ６に交番磁界がそれぞれ付与される（但し、「Ｅ」は振幅、「ω」は角周波数、「ｔ」は時刻を示す）。一方、ロータ４１が回転すると、ロータ４１の突出部の位置に応じてロータ４１と各ティースＴ１〜Ｔ１２の距離が変化するため、励磁巻線Ｗｅから各出力巻線Ｗ１〜Ｗ６に付与される磁界が変化する。これにより、出力巻線Ｗ１〜Ｗ６から、ロータ４１の回転角（電気角）θｅに応じた以下の（ｂ１）〜（ｂ６）に示す電圧信号Ｖ１〜Ｖ６がそれぞれ出力される。なお、「Ｋ」は変圧比を示す。
【００３０】
（ｂ１）第１の出力巻線Ｗ１から電圧信号Ｖ１（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ））が出力される。
（ｂ２）第２の出力巻線Ｗ２から電圧信号Ｖ２（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ＋３０°））が出力される。
【００３１】
（ｂ３）第３の出力巻線Ｗ３から電圧信号Ｖ３（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ＋１２０°））が出力される。
（ｂ４）第４の出力巻線Ｗ４から電圧信号Ｖ４（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ＋１５０°））が出力される。
【００３２】
（ｂ５）第５の出力巻線Ｗ５から電圧信号Ｖ５（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ＋２４０°））が出力される。
（ｂ６）第６の出力巻線Ｗ６から電圧信号Ｖ６（＝Ｖｅ×Ｋ×ｓｉｎ（θｅ＋２７０°））が出力される。
【００３３】
このように、第１のレゾルバ４０では、励磁巻線Ｗｅ及びロータ４１が磁界生成部となるとともに、第１〜第６の出力巻線Ｗ１〜Ｗ６が磁界検出部となっている。そして、第１のレゾルバ４０から出力される６相の電圧信号Ｖ１〜Ｖ６は、上記制御装置１５に取り込まれている。
【００３４】
一方、図２に示すように、ロアシャフト２１の上端部には、その回転角度を検出する第２のレゾルバ５０が設けられている。この第２のレゾルバ５０は、ロアシャフト２１の上端部に固定されて同ロアシャフト２１と一体回転するロータ５１と、ハウジング３０に固定されてロータ５１を囲繞する環状のステータ５２とから構成されている。この第２のレゾルバ５０は、基本的には上記第１のレゾルバ４０と同様の構造を有しているため、その詳細な説明は割愛する。なお、第２のレゾルバ５０の軸倍角は「４Ｘ」に設定されている。そして、この第２のレゾルバ５０から出力される電圧信号も、上記制御装置１５に取り込まれている。
【００３５】
また一方、第１のレゾルバ４０の上部には、遊星歯車機構６０が設けられている。図４に示すように、遊星歯車機構６０は、インプットシャフト２０に固定されて同シャフト２０と一体回転する太陽歯車６１と、太陽歯車６１を囲繞するように設けられてハウジング３０（図示略）の内部に固定された内歯車６２と、太陽歯車６１及び内歯車６２に噛合された遊星歯車６３とから構成されている。なお、図４では、便宜上、ハウジング３０の図示を割愛している。各歯車６１〜６３はかさ歯車からなるものであって、このうち、太陽歯車６１は、図２に示すように、歯の形成された外周部分が第１のレゾルバ４０側ほど拡径された形状を有している。また、内歯車６２は、歯の形成された内周部分が第１のレゾルバ４０側ほど縮径された形状を有している。これにより、太陽歯車６１と内歯車６２との間の隙間は、第１のレゾルバ４０側ほど狭くなっている。そして、これら太陽歯車６１及び内歯車６２に対し、遊星歯車６３が先端部を下方に向けた状態で噛合されることによって、遊星歯車６３の第１のレゾルバ４０側への移動が規制されている。なお、太陽歯車６１及び内歯車６２は、非磁性体により形成されている。一方、遊星歯車６３は、基本的には磁性体により形成されており、その歯の形成されている部分のみが樹脂成形されている。そしてこのように、遊星歯車６３の歯の形成されている部分を樹脂成形することにより、遊星歯車６３と太陽歯車６１との間、並びに遊星歯車６３と内歯車６２の間での異音の発生が抑制されている。一方、遊星歯車６３の上面には、ハウジング３０の内壁面に形成された溝部３３に挿入される軸部６３ａが設けられている。図５に示すように、溝部３３は遊星歯車６３の公転軌道に沿って円形状に形成されている。これにより、遊星歯車６３は、溝部３３によって太陽歯車６１の周囲を公転運動可能に支持されている。なお、この遊星歯車機構６０では、太陽歯車６１の歯数が「４０」に、内歯車の歯数が「５０」に設定されることにより、太陽歯車６１が１回転する間に、すなわちインプットシャフト２０が１回転する間に、遊星歯車６３が太陽歯車６１の周囲を４／９（＝５０／（５０＋４０））回転するように設定されている。このような構造からなる遊星歯車機構６０によれば、遊星歯車６３をハウジング３０と太陽歯車６１との間、並びにハウジング３０と内歯車６２との間で挟持することができるため、別途の支持構造を設けることなく、遊星歯車６３を簡単且つ的確に支持することができる。
【００３６】
なお、図２に示すように、第１のレゾルバ４０のステータ４２と第２のレゾルバ５０のステータ５２との間、並びに第２のレゾルバ５０のステータ５２と第２のハウジング３２との間には、ステータ４２，５２の軸方向への移動を規制するための円環状のストッパ７０，７１がそれぞれ設けられている。
【００３７】
トルクセンサ１４のこのような構造によれば、図６に示すように、その組み立ての際に、第１のハウジング３１の開口部分を上方に向けた状態で、その開口部分から遊星歯車機構６０や第１のレゾルバ４０などを順次第１のハウジング３１の内部に収容すれば、各構成要素を第１のハウジング３１に容易に組み付けることができる。このため、トルクセンサ１４の組み立てが容易となる。
【００３８】
一方、制御装置１５は、第１のレゾルバ４０から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のうちのいずれか２つの電圧信号の値に基づいて周知の逆正接値演算を行うことにより、ロータ４１の回転角（電気角）、換言すればインプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓを求める。また、制御装置１５は、第２のレゾルバ５０から出力される電圧信号に基づいて同様に逆正接値演算を行うことにより、ロアシャフト２１の回転角（電気角）θｅｐも求める。そして、制御装置１５は、インプットシャフト２０の回転角θｅｓ及びロアシャフト２１の回転角θｅｐの差分値を演算し、演算された差分値にトーションバー２２のばね定数を積算することにより操舵トルクを求める。
【００３９】
また、制御装置１５は、第１のレゾルバ４０から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６に基づいてインプットシャフト２０の絶対回転角θｅａを検出することにより、ステアリングホイール１の操舵角を求める。このように、本実施形態では、制御装置１５が、ステアリングホイール１の操舵角を検出する回転角検出手段となっている。
【００４０】
次に、インプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａの検出原理について、先の図３、図４、及び図７を参照して説明する。なおここでは、ステアリングホイール１が中立位置に位置しているときに遊星歯車６３が図４の二点鎖線の位置に位置しているとする。そして、図４では、遊星歯車６３が図中の二点鎖線の位置を基準位置として矢印ａで示す方向へ公転したとき、公転軸と基準位置における遊星歯車６３の中心とを結ぶ直線（図中の破線）に対して、公転軸と公転位置における遊星歯車６３の中心とを結ぶ直線がなす角度（公転角）をθｐで示している。また、ステアリングホイール１が中立位置であるときのインプットシャフト２０の位置を基準位置として、この基準位置から矢印ａで示す方向へのインプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）をθｅａで示している。さらに、図３では、ステアリングホイール１が中立位置であるときのロータ４１の位置を基準位置として、この基準位置から矢印ａで示す方向へのロータ４１の回転角をθｅで示している。また、図３及び図４では、遊星歯車６３の公転運動の軌跡（より詳細にはその中心軸ｍの軌跡）を一点鎖線で示している。
【００４１】
例えば運転者によってステアリングホイール１が「２０２．５°」だけ回転操作されたとすると、インプットシャフト２０も絶対角（機械角）で「２０２．５°」だけ回転する。この場合、図４に示すように、遊星歯車６３の公転角θｐは「９０°（＝２０２．５°×４／９）」となるため、図３に二点鎖線で示すように、遊星歯車６３がティースＴ４に近接する。よって、第６の出力巻線Ｗ６に付与される磁界が遊星歯車６３の影響を受けて変化する。具体的には、第６の出力巻線Ｗ６の周辺の磁路が増加するため、第６の出力巻線Ｗ６に付与される磁束が増加し、第６の出力巻線Ｗ６における磁気抵抗が減少する。したがって、第６の出力巻線Ｗ６から出力される電圧信号Ｖ６の大きさが先の（ｂ６）に示した通常の電圧信号よりも大きくなり、電圧信号Ｖ６が異常値を示すようになる。
【００４２】
そこで、制御装置１５では、第１〜第６の出力巻線Ｗ１〜Ｗ６の電圧信号Ｖ１〜Ｖ６の大きさと予め定められた閾値とを比較することで、異常な電圧信号を出力している出力巻線を特定し、特定された出力巻線が巻回されているティースに対応する位置に遊星歯車６３が位置していると判断するようにしている。このような判断方法により、制御装置１５は、例えば第６の出力巻線Ｗ６から出力される電圧信号が閾値よりも大きい場合には、遊星歯車６３の公転角θｐがティースＴ４に対応する「９０°」、あるいはティースＴ１０に対応する「２７０°」であると判断する。
【００４３】
一方、インプットシャフト２０が絶対角（機械角）で「２０２．５°」だけ回転したとすると、第１のレゾルバ４０では、図３に示すロータ４１の回転角（電気角）θｅが「１０１２．５（＝２０２．５°×５）」となる。よって、第１のレゾルバ４０の電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のうちのいずれか２つの組み合わせから演算されるインプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓは、通常であれば、「２９２．５°（＝１０１２°−３６０×２°）」となるはずである。しかしながら、第６の出力巻線Ｗ６から出力される電圧信号Ｖ６が異常である場合、この電圧信号Ｖ６との組み合わせから演算される回転角θｅｓだけが異常な角度となる。したがって、図７に示すように、電圧信号Ｖ１〜Ｖ６から演算可能な１５個の回転角θｅｓのうち、電圧信号Ｖ６との組み合わせから演算される５個の回転角θｅｓだけが「２９２．５°」と異なる角度となる。そこで、制御装置１５では、第１のレゾルバ４０の電圧信号Ｖ１〜Ｖ６から演算される１５個の回転角θｅｓの多数決をとることで、インプットシャフト２０の正しい回転角θｅｓを検出することとしている。すなわち、図７に示すような１５個の回転角θｅｓが演算された場合には、「２９２．５°」を示すものが１０個、それ以外の角度を示すものが５個となるため、インプットシャフト２０の回転角θｅｓは「２９２．５°」であると判断する。
【００４４】
なお、例えば遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐが「１０５°」である場合、すなわち遊星歯車６３がティースＴ４とティースＴ５との間に位置している場合には、遊星歯車６３が第６の出力巻線Ｗ６ばかりでなく、第３の出力巻線Ｗ３にも近接するため、電圧信号Ｖ３及びＶ６が異常値を示す。この場合、図８に示すように、制御装置１５により演算される１５個の回転角θｅｓのうち、電圧信号Ｖ３及びＶ６の組み合わせから演算される９個の回転角がそれぞれ異なる異常値ａ〜ｉとなり、残りの６個の回転角が正常値となる。このため、多数決をとれば、同様にインプットシャフト２０の回転角θｅｓを検出することが可能である。
【００４５】
以上のような判断方法により、制御装置１５は、遊星歯車６３の公転角θｐが機械角で「９０°」、あるいは「２７０°」であること、並びにインプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓが「２９２．５°」であることを検出する。そして、制御装置１５は、これらの検出結果から多回転を含むインプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａを次のように演算する。
【００４６】
まず、インプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａ、多数決により検出されるインプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓ、及び遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐとの間には、以下の式（１）のような関係式が成立する。なお、「Ｎｐ」はインプットシャフト２０が一回転する間に遊星歯車６３が公転する回転数を示すとともに、「Ａｘ」は第１のレゾルバ４０の軸倍角を示す。
【００４７】
θｐ＝θｅａ×Ｎｐ／Ａｘ
＝（θｅｓ＋３６０°×ｎ）×４／４５・・・（１）
但し、ｎは整数を示す。
【００４８】
そして、制御装置１５は、「ｎ」の値を順次変更しながら、遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐが「９０°−Δθ≦θｐ≦９０°＋Δθ」あるいは「２７０°−Δθ≦θｐ≦２７０°＋Δθ」となる「ｎ」を求める。なお、「Δθ」は、出力巻線Ｗ１〜Ｗ６から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６が閾値を超えると想定される角度範囲として予め設定された定数であり、本実施形態では、「７．５°」が採用される。これにより、遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐは、例えば以下の（ｃ１）及び（ｃ２）の演算を経て特定される。
【００４９】
（ｃ１）ｎ＝１であるとき。
θｐ＝（２９２．５＋３６０°×１）×４／４５＝５８°
（ｃ２）ｎ＝２であるとき。
【００５０】
θｐ＝（２９２．５＋３６０°×２）×４／４５＝９０°
そして、（ｃ２）の演算を行った時点で、演算された公転角（機械角）θｐが「９０°−Δθ≦θｐ≦９０°＋Δθ」を満たすため、この式（ｃ２）の演算結果から「ｎ＝２」であることがわかる。すなわち、インプットシャフト２０が電気角の位相で２周期だけ回転していること、換言すればインプットシャフト２０の回転数が「０．４（＝２／５）」であることがわかる。これにより、制御装置１５は、インプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａが「１０１２．５（＝２９２．５＋３６０°×２）」であることを検出する。
【００５１】
図９は、こうしたインプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａの検出方法のもとに制御装置１５を通じてステアリングホイール１の操舵角を演算する処理をフローチャートとして示したものであり、以下、この図９を参照して第１のレゾルバ４０の動作例（作用）について説明する。なお、この図９に示す処理は、実際には所定の演算周期をもって繰り返し実行される。
【００５２】
図９に示すように、この処理では、まず、第１のレゾルバ４０から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６と所定の閾値とをそれぞれ比較することで電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のいずれが異常値を示しているかが特定されて（ステップＳ１）、その結果から遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐが検出される（ステップＳ２）。次いで、電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のうちのいずれか２つの組み合わせから１５個のロータ４１の回転角（電気角）θｅｓがそれぞれ演算され（ステップＳ３）、演算された１５個のロータ４１の回転角（電気角）θｅｓの多数決をとることで、インプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓが検出される（ステップＳ４）。次いで、検出された遊星歯車６３の公転角（機械角）θｐ、及びインプットシャフト２０の回転角（電気角）θｅｓに基づいてその絶対回転角（電気角）θｅａが演算される（ステップＳ５）。具体的には、先の式（１）を満たす「ｎ」を検索することでインプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａが演算される。そして、演算されたインプットシャフト２０の絶対回転角（電気角）θｅａから第１のレゾルバ４０の軸倍角に基づいてステアリングホイール１の操舵角（機械角）が演算される（ステップＳ６）。
【００５３】
このようなトルクセンサ１４によれば、第１のレゾルバ４０に遊星歯車機構６０を設けるだけでステアリングホイール１の操舵角を検出することができるため、インプットシャフト２０の回転数を検出する回転数検出装置を別途設ける場合と比較すると、構造の簡素化を図ることができる。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態にかかるトルクセンサによれば、以下のような効果が得られるようになる。
（１）第１のレゾルバ４０には、インプットシャフト２０と一体となって回転する太陽歯車６１、同太陽歯車６１の回転に基づきその周囲を公転する磁性体からなる遊星歯車６３、及び遊星歯車６３に噛合される内歯車６２により構成される遊星歯車機構６０を設けることとした。また、第１のレゾルバ４０に設けられた第１〜第６の出力巻線Ｗ１〜Ｗ６から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６に基づいてインプットシャフト２０の回転角θｅｓ及び遊星歯車６３の公転角θｐをそれぞれ検出するようにした。そして、インプットシャフト２０の回転角θｅｓ及び遊星歯車６３の公転角θｐに基づいてインプットシャフト２０の絶対回転角θｅａを演算し、その演算結果からステアリングホイール１の操舵角を求めることとした。これにより、第１のレゾルバ４０に遊星歯車機構６０を設けるだけでステアリングホイール１の操舵角を検出することができるため、インプットシャフト２０の回転数を検出するための回転数検出装置を別途設ける場合と比較すると、構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００５５】
（２）遊星歯車の公転角θｐの検出を、第１のレゾルバ４０の第１〜第６の出力巻線Ｗ１〜Ｗ６から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のうちのいずれが異常値を示しているかを特定することで行うこととした。これにより、遊星歯車６３の公転角θｐを容易に検出することができるようになる。
【００５６】
（３）インプットシャフト２０の回転角θｅｓの検出を、第１のレゾルバ４０から出力される電圧信号Ｖ１〜Ｖ６のうちのいずれか２つの組み合わせからインプットシャフト２０の回転角θｅｓを複数演算し、その複数の演算結果の多数決をとることにより行うこととした。これにより、インプットシャフト２０の回転角θｅｓを容易に検出することができるようになる。
【００５７】
（４）遊星歯車６３を、ハウジング３０と太陽歯車６１の間、並びにハウジング３０と内歯車６２との間で挟持することとした。これにより、遊星歯車６３を支持するための部材を別途設けることなく、遊星歯車６３を簡単且つ的確に支持することができるため、構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００５８】
（５）トルクセンサ１４に設けられた第１のレゾルバ４０を通じてステアリングホイール１の操舵角を検出することとした。これにより、ステアリングホイール１の操舵角を検出するセンサを別途設ける必要がなくなるため、利便性が大幅に向上するようになる。
【００５９】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、第１のレゾルバ４０が６相の電圧信号を出力するものであったが、電圧信号の出力数については適宜変更可能である。但し、第１のレゾルバ４０が４相以下の出力である場合には、次のことが懸念される。例えば第１のレゾルバ４０が４相の電圧信号Ｖ１０〜Ｖ１３を出力する構造を有しているとするときに、２つのティース間に遊星歯車６３が位置するなどして、それらうちの２つの電圧信号Ｖ１２及びＶ１３が異常値を示したとする。この場合、図１０に示すように、４相の電圧信号Ｖ１０〜Ｖ１３のうちのいずれか２つの組み合わせから演算可能な６個の回転角θｅｓのうち、演算結果が異常値ｂ１〜ｂ５を示すものが５つとなり、正常値となるものが１つだけとなってしまう。このため、演算結果の多数決をとるといった方法ではロータ４１の回転角θｅｓを特定することができないおそれがある。また、第１のレゾルバ４０が３相出力の構造である場合には、それらのうちの２つの電圧信号が異常値を示すと、演算結果が正常値を示すものが無くなるため、同様にロータ４１の回転角θｅｓを特定することができないおそれがある。このため、第１のレゾルバ４０の電圧信号の出力数については５相以上であることが望ましい。なお、第１のレゾルバ４０が３相出力あるいは４相出力の構造を有している場合でも、例えば各出力巻線を離間して配置するなどすれば、遊星歯車６３が２つの出力巻線に影響を及ぼすような状況を回避することが可能である。したがって、このような構造であれば、演算結果の多数決をとるといった方法でロータ４１の回転角θｅｓを特定することが可能である。
【００６０】
・第１のレゾルバ４０の軸倍角を適宜変更してもよい。
・上記実施形態では、遊星歯車機構６０の各歯車６１〜６３がかさ歯車からなるものであったが、図１１に示すように、各歯車６１〜６３が平歯車であってもよい。この場合、図中に示すように、遊星歯車６３の歯の形成されている部分と軸部６３ａとの間にフランジ部６３ｂを設けることが有効である。これにより、フランジ部６３ｂによって遊星歯車６３の第１のレゾルバ４０側への移動が規制されるため、遊星歯車６３の位置を的確に保持することができる。
【００６１】
・上記実施形態では、ハウジング３０の内部に内歯車６２を固定し、この内歯車６２に遊星歯車６３を噛合させることとしたが、内歯車６２についてはこれを外歯車に代えることも可能である。また、遊星歯車を遊星キャリアにより自転及び公転可能に支持してもよい。具体的には、図１２に示すように、遊星歯車６３の軸部６３ａには、外歯を形成する。また、ハウジング３０の内壁において太陽歯車６１の上方にあたる部分には、遊星歯車６３の軸部６３ａに形成された外歯に噛合される外歯車６４を固定する。なお、この外歯車６４の中央部には挿通孔６４ａを形成し、この挿通孔６４ａにインプットシャフト２０を挿通させる。一方、太陽歯車６１の下方には、軸受け８２を介してインプットシャフト２１に支持される遊星キャリア６５を設け、この遊星キャリア６５により遊星歯車６３を自転及び公転運動可能に支持する。このような構成であっても、インプットシャフト２０の回転に伴い遊星歯車６３を公転させることができるため、上記実施形態に準じた効果を得ることが可能である。
【００６２】
・上記実施形態では、遊星歯車６３の公転位置を、対向する２つのティースのうちのいずれかの位置というかたちで検出、換言すれば遊星歯車６３の公転位置として候補となる２つの位置を検出した上で、上記（ｃ１）及び（ｃ２）に例示した演算を通じてインプットシャフト２０の絶対回転角θｅａを検出することとした。これに代えて、遊星歯車６３の公転位置が、対向する２つのティースのうちのいずれの位置であるかを更に特定してもよい。具体的には、先の図３に示すように、遊星歯車６３が第１の出力巻線Ｗ１に近接している状況としては、遊星歯車６３がティースＴ１に近接している状況と、ティースＴ７に近接している状況の２つの状況が想定されるが、これら２つの状況では、ロータ４１の回転角θｅが異なるため、第１の出力巻線Ｗ１から出力される電圧信号Ｖ１の大きさが異なる。これを利用すれば、例えば遊星歯車６３が近接する出力巻線を特定したときに、その特定された出力巻線から出力される電圧信号の大きさに基づいて、対向する２つのティースのうちのいずれに遊星歯車６３が位置しているかを特定することができる。このようにして遊星歯車６３の位置を特定することとすれば、より正確にインプットシャフト２０の絶対回転角θｅａを検出することが可能となる。
【００６３】
・上記実施形態では、遊星歯車機構６０の各歯車６１〜６３をかさ歯車とするとともに、ハウジング３０に形成された溝部３３に遊星歯車６３の軸部６３ａを挿入することで、遊星歯車６３を保持することとした。このようなハウジング３０の溝部３３による遊星歯車６３の保持に代えて、例えば遊星歯車６３とは別に、非磁性体からなる新たな遊星歯車を太陽歯車６１及び内歯車６２に噛合させた上で、この新たな遊星歯車と遊星歯車６３とを遊星キャリアにより連結することで、遊星歯車６３を支持してもよい。
【００６４】
・上記実施形態では、遊星歯車６３を磁性体により形成することとしたが、これに代えて、磁気を遮蔽する部材、例えばアルミニウムなどにより形成してもよい。要は、遊星歯車６３が、励磁巻線Ｗｅにより形成される磁界を変化させる部材により形成されていればよい。
【００６５】
・上記実施形態では、インプットシャフト２０が１回転する間に遊星歯車６３が太陽歯車６１の周囲を４／９回転する構造を採用することとしたが、遊星歯車６３の回転数については適宜変更可能である。要は、インプットシャフト２０が１回転する間に遊星歯車６３が太陽歯車６１の周囲を非整数回だけ回転する構造であれば、遊星歯車６３の公転角に基づいてインプットシャフト２０の絶対回転角を検出することが可能である。
【００６６】
・上記実施形態では、本発明にかかるトルクセンサを、車両の電動パワーステアリング装置に適用することとしたが、本発明は、トルクセンサを具備する任意の装置に適用することが可能である。また、トルクセンサに限らず、回転体の回転角を検出するレゾルバであれば、本発明を適用することが可能である。
【００６７】
・上記実施形態では、本発明にかかる回転角検出装置をレゾルバに適用することとしたが、例えばホール素子や磁気抵抗素子などを利用して回転体の回転角を検出する回転角検出装置など、適宜の回転角検出装置に適用することが可能である。図１３に、ホール素子を利用した回転角検出装置の一例を示す。図１３に示すように、この回転角検出装置は、その軸倍角が「５Ｘ」に設定された装置であって、インプットシャフト２０と一体回転する１０極磁石からなるロータ９０と、ハウジング３０に固定されてロータ９０を囲繞するステータ９１とを備えている。このうち、ステータ９１の内壁には、ロータ９０の周方向に沿って等間隔に６つのホール素子９２ａ〜９２ｆが取り付けられている。そして、この回転角検出装置は、ホール素子９２ａ〜９２ｆの出力に基づいてロータ９０の回転角（電気角）、換言すればインプットシャフト２０の回転角（電気角）を検出する。このような回転角検出装置についても、上述した遊星歯車機構６０を設ければ、ロータ９０が回転するときに、図中に一点鎖線で示すように、ロータ９０及びホール素子９２ａ〜９２ｆの近傍にて遊星歯車６３を公転させることができるため、ホール素子９１ａ〜９１ｆの出力に基づいてインプットシャフト２０の多回転の絶対回転角を求めることが可能である。すなわち、上記実施形態に準じた効果を得ることが可能である。要は、回転体の回転方向に沿って配設される複数の磁界検出部と、これら複数の磁界検出部に付与する磁界を生成する磁界生成部とを有して、回転体の回転に伴い磁界に生じる変化を磁界検出部を通じて検出することにより回転体の回転角を検出する回転角検出装置であれば、本発明にかかる回転角検出装置を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
Ｔ１〜Ｔ９…ティース、Ｗ１〜Ｗ６…出力巻線、Ｗｅ…励磁巻線、１…ステアリングホイール、２…ステアリングシャフト、３…コラムシャフト、４…インターミディエイトシャフト、５…ピニオンシャフト、６…ラックピニオン機構、７…ラック軸、８…タイロッド、９…転舵輪、１０…電動パワーステアリング装置、１１…電動モータ、１２…減速機構、１３…車速センサ、１４…トルクセンサ、１５…制御装置、２０…インプットシャフト、２１…ロアシャフト、２２…トーションバー、３０…ハウジング、３１…第１のハウジング、３２…第２のハウジング、３３…溝部、４０…第１のレゾルバ、４１，５１，９０…ロータ、４２，５２，９１…ステータ、４４…ステータコア、５０…第２のレゾルバ、６０…遊星歯車機構、６１…太陽歯車、６２…内歯車、６３…遊星歯車、６３ａ…軸部、６３ｂ…フランジ部、６４…外歯車、６４ａ…挿通孔、６５…遊星キャリア、７０，７１…ストッパ、８０，８１，８２…軸受け、９１ａ〜９１ｆ…ホール素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転方向に沿って配設される複数の磁界検出部と、
同複数の磁界検出部に付与する磁界を生成する磁界生成部と、
前記回転体と一体となって回転する太陽歯車と、
前記磁界を変化させ得る部材により形成されて前記太陽歯車の回転に基づきその周囲を公転する遊星歯車と、を備え、
前記磁界生成部は、前記回転体の回転に伴い前記複数の磁界検出部に対して相対回転し、
前記遊星歯車は、前記複数の磁界検出部の配置に対応した軌道を公転する
ことを特徴とする回転角検出装置。
【請求項２】
前記複数の磁界検出部に対する前記遊星歯車の位置の検出が、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力のうちのいずれが異常値を示しているかを特定することで行われる
請求項１に記載の回転角検出装置。
【請求項３】
前記回転体の回転角の検出が、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力に基づいて前記回転体の回転角を複数演算し、それら複数の演算結果の多数決をとることに基づいて行われる
請求項１又は２に記載の回転角検出装置。
【請求項４】
前記回転体の回転角の検出が、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力のうちのいずれか２つの組み合わせに基づいて行われるものであって、
前記磁界検出部が、５つ以上設けられている
請求項３に記載の回転角検出装置。
【請求項５】
前記遊星歯車を公転運動可能に支持するハウジングと、
前記太陽歯車を囲繞するように設けられて前記遊星歯車が噛合される内歯車と、を更に備え、
前記遊星歯車は、前記ハウジングと前記太陽歯車との間、並びに前記ハウジングと前記内歯車との間で挟持されている
請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
【請求項６】
第１の回転体の回転角を検出する第１の回転角検出装置と、
前記第１の回転体とトーションバーを介して同一軸線上に連結される第２の回転体の回転角を検出する第２の回転角検出装置と、を備え、
前記第１の回転体の回転角及び前記第２の回転体の回転角の差分に基づいて前記第１の回転体に付与されるトルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記第１の回転角検出装置として請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転角検出装置を用いる
ことを特徴とするトルクセンサ。
【請求項１】
回転体の回転方向に沿って配設される複数の磁界検出部と、
同複数の磁界検出部に付与する磁界を生成する磁界生成部と、
前記回転体と一体となって回転する太陽歯車と、
前記磁界を変化させ得る部材により形成されて前記太陽歯車の回転に基づきその周囲を公転する遊星歯車と、を備え、
前記磁界生成部は、前記回転体の回転に伴い前記複数の磁界検出部に対して相対回転し、
前記遊星歯車は、前記複数の磁界検出部の配置に対応した軌道を公転する
ことを特徴とする回転角検出装置。
【請求項２】
前記複数の磁界検出部に対する前記遊星歯車の位置の検出が、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力のうちのいずれが異常値を示しているかを特定することで行われる
請求項１に記載の回転角検出装置。
【請求項３】
前記回転体の回転角の検出が、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力に基づいて前記回転体の回転角を複数演算し、それら複数の演算結果の多数決をとることに基づいて行われる
請求項１又は２に記載の回転角検出装置。
【請求項４】
前記回転体の回転角の検出が、前記複数の磁界検出部のそれぞれの出力のうちのいずれか２つの組み合わせに基づいて行われるものであって、
前記磁界検出部が、５つ以上設けられている
請求項３に記載の回転角検出装置。
【請求項５】
前記遊星歯車を公転運動可能に支持するハウジングと、
前記太陽歯車を囲繞するように設けられて前記遊星歯車が噛合される内歯車と、を更に備え、
前記遊星歯車は、前記ハウジングと前記太陽歯車との間、並びに前記ハウジングと前記内歯車との間で挟持されている
請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
【請求項６】
第１の回転体の回転角を検出する第１の回転角検出装置と、
前記第１の回転体とトーションバーを介して同一軸線上に連結される第２の回転体の回転角を検出する第２の回転角検出装置と、を備え、
前記第１の回転体の回転角及び前記第２の回転体の回転角の差分に基づいて前記第１の回転体に付与されるトルクを検出するトルクセンサにおいて、
前記第１の回転角検出装置として請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転角検出装置を用いる
ことを特徴とするトルクセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−９６９３０（Ｐ２０１３−９６９３０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１９８８（Ｐ２０１１−２４１９８８）
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【Ｆターム（参考）】
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