JP2002071480A - 光学式トルク及び回転センサ、及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents
光学式トルク及び回転センサ、及び電動パワーステアリング装置Info
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Abstract
確保できる光学式トルク及び回転センサ、及び電動パワ
ーステアリング装置を提供する。 【解決手段】 トーションバー4の外周面に、溝部14
と突部15からなる凹凸部16を形成する。発光ダイオ
ード17から照射された光は凹凸部16によって反射さ
れ、その反射された光は2つのフォトダイオードPD
1,PD2によって受光される。そして制御装置は、P
D1,PD2から出力される出力電圧の差をとってブリ
ッジ出力を求め、そのブリッジ出力からトーションバー
4にかかるトルクを検出する。また制御装置は、PD
1,PD2から出力される出力電圧の和をとってブリッ
ジ出力を求め、そのブリッジ出力から発光ダイオード1
7の照射光上を移動する突部を計数することによって回
転速度も検出する。
Description
回転センサ、及び電動パワーステアリング装置に関する
ものである。
装置で操舵トルクや回転角度を検出する場合には、一般
にポテンショメータが使用される。即ち、ステアリング
の操作に基づき摺動接点が抵抗素子上を移動し、その摺
動接点位置に応じてポテンショメータの抵抗値が決ま
る。そして、その抵抗値によって求まる電圧値からステ
アリングの操舵トルクや回転角度等を検出している。
抵抗素子上を摺動する構造をとっていることから、長期
間使用するとその摺動する部位に摩耗やへたりが生じる
ので、耐久性が良くないという問題があった。しかも、
その摩耗やへたりによる経年変化に伴い、正確な操舵ト
ルクや回転角度の検出ができなくなり、装置としての信
頼性に欠ける問題もあった。
のであって、その目的は、長期間使用しても高い耐久性
および信頼性を確保できる光学式トルク及び回転セン
サ、及び電動パワーステアリング装置を提供することに
ある。
め請求項1に記載の発明では、光を回転体に向かって照
射する発光手段と、前記発光手段から照射されて前記回
転体によって反射された光を受光する受光手段と、前記
回転体に設けられ、前記発光手段と受光手段の間の光伝
達経路上に配置された複数の突部と、前記突部を設ける
ことで形成される前記回転体の凹凸部を経由して前記受
光手段が得る光の位置又は照度に基づき、少なくとも前
記回転体にかかるトルクを検出する制御手段とを備えた
ことを要旨とする。
れた光は、回転体の凹凸部によって反射されて受光手段
に受光される。ここで、例えば負荷がかかって回転体に
ねじれが生じたとき、凹凸部にはねじれ変形が生じ、受
光手段はその凹凸部の変形作用によって無負荷状態のと
きと異なる位置又は照度で光を受光する。そして制御手
段は、光の位置又は照度の変化量に基づき少なくともト
ルクを検出する。よって、トルク及び回転センサを光学
式とすることで非接触式にしたので、摩耗やへたりが生
じる部品がなく、長期間に亘って品質が維持され、しか
も耐ノイズ特性も高くなる。このため、長期間使用して
も誤検出発生率の少ない信頼性の高いトルク及び回転セ
ンサが提供される。
載の発明において、前記受光手段は2つ設けられ、前記
制御手段は当該各受光手段から検出される2つの検出信
号の差をとってその差に基づきトルクを検出することを
要旨とする。
の作用に加え、2つの受光手段によってそれぞれ検出さ
れる出力信号の差をとることによってトルクを検出して
いるので、例えば1つの受光手段のみでトルクを検出す
る場合に比べて高い精度でトルクが検出可能になる。
2に記載の発明において、前記制御手段は、前記受光手
段から検出される検出信号を基に、前記回転体が回転し
たときの当該回転体の突部を計数することによって回転
数及び回転角度のうち少なくとも一方を検出することを
要旨とする。
の発明の作用に加え、受光手段から検出される検出信号
を基に回転体の突部を計数することによって、回転数及
び回転角度のうち少なくとも一方を検出するので、同一
センサでトルクのみならず回転数や回転角度も検出可能
になる。よって、トルクと回転数(回転角度)を検出す
るために、それぞれセンサを用意する必要がなくなる。
のうちいずれか一項に記載の発明において、前記受光手
段は2つ設けられ、前記制御手段は当該各受光手段から
検出される2つの検出信号の和をとってその和に基づき
前記回転体の前記回転数及び回転角度のうち少なくとも
一方を検出することを要旨とする。
ずれか一項に記載の発明の作用に加え、2つの受光手段
の検出信号の和をとることによって回転数及び回転角度
のうち少なくとも一方を検出しているので、例えばねじ
れによる一方の検出信号の低下がキャンセルされ、回転
数(回転角度)の検出誤差等が生じ難くなる。
テアリング装置は、請求項1〜4のうちいずれか一項に
記載の光学式トルク及び回転センサを備える。この発明
によれば、請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の発
明の作用と同様の作用が得られる。
ーステアリング装置に使用される光学式トルクセンサ及
び回転角センサに具体化した一実施形態を図1〜図7に
従って説明する。
グ装置1は、入力軸2と出力軸3を連結する回転体とし
てのトーションバー4に相対配置された光学式トルクセ
ンサ及び回転センサ(以下、単にセンサという)5と、
出力軸3に配置されたギヤ機構6と連結されたアシスト
モータ7とを備えている。入力軸2の上端にはステアリ
ングホイール8が固定され、そのホイール操作に基づき
出力軸3側のピニオン9、ラック10およびリンク機構
11を介して操舵輪12が操舵される。
が接続されている。そしてステアリングホイール8を操
作したとき、センサ5によってトーションバー4にかか
る操舵トルク、回転角度および車速等が検出され、セン
サ5に内蔵された制御装置13(図3参照)はその操舵
トルク、回転角度および車速等に応じたアシスト力を出
力軸3に付与するようにアシストモータ7を駆動制御す
る。
に従って説明する。図1は、光学式トルク及び回転セン
サの要部概略構成図である。同図に示すように、トーシ
ョンバー4の外周面には、軸方向に亘って延びる溝部1
4が周方向に等間隔に複数形成されている。これら溝部
14を形成することによって、各溝部14間には突部1
5が周方向に一定ピッチで複数形成されている。この溝
部14および突部15によりできる凹凸部16が光の反
射面として機能し、この凹凸部16には所定位置に配置
された発光手段としての発光ダイオード(LED)17
から光が照射される。
向のほぼ中央部に光を照射する位置に配置されている。
一方、凹凸部16によって反射された光の反射先には、
2つのフォトダイオードPD1,PD2が配置されてい
る。トーションバー4にねじれが生じていないトルク
「0」のとき、発光ダイオード17から照射された光は
凹凸部16によって反射角度θoで各フォトダイオード
PD1,PD2にそれぞれ反射され、各フォトダイオー
ドPD1,PD2は受光面S1,S2でその光を受光す
る。そして各フォトダイオードPD1,PD2は、出力
する出力信号の値が同じ値となるように、各受光面S
1,S2において同一位置で光を受光する位置に位置設
定されている。
ける光検出回路の回路図である。同図に示す光検出回路
18では、抵抗R1およびフォトダイオードPD1と、
抵抗R2およびフォトダイオードPD2とが、電源電圧
VccとGNDの間で並列に接続されている。またフォ
トダイオードPD1は、電源電圧Vccに対して逆バイ
アスで抵抗R1と直列に接続されている。一方、フォト
ダイオードPD2も、電源電圧Vccに対して逆バイア
スで抵抗R2と直列に接続されている。
ードPD1の間の電位の出力(Vo -)をとり、同じく
抵抗R2とフォトダイオードPD2の間の電位の出力
(Vo+)の出力をとっている。これら2つの出力電圧
Vo-,Vo+は、制御装置13(図3参照)に出力され
る。
路構成図である。制御装置13は、差演算回路19、加
算回路20、F/V変換回路21、ローパスフィルタ2
2、モータ駆動回路23および回転検出回路24を内蔵
している。光検出回路18の出力側には、順に差演算回
路19、ローパスフィルタ22、モータ駆動回路23、
アシストモータ7が接続されている。一方、光検出回路
18のもう一つの出力側には、順に加算回路20、F/
V変換回路21、回転検出回路24、アシストモータ7
が接続されている。
用を説明する。操舵トルクの検出は以下の手順で行う
が、まず図7(a),(b)により操舵トルクの算出方
法を数式的に説明する。図7(a)はトルクTが生じた
所定の回転体(以下、単に軸という)25の斜視図であ
り、図7(b)は軸25の一部を拡大した説明図であ
る。両図では破線を無負荷状態のときの軸25の外周面
上の基準面N0とし、実線を所定のトルクが印加された
ときの変形面N1とする。
(m)、Tを印加トルク(N・m)、Gを軸の剛性率
(N/m2)、Dを軸の直径(m)とすると、ねじれ角
θ(deg)は次式より求まる。
D)の位置およびトルク「0」のときにPDが受光する
受光面S上の反射光入射位置、b点をトルクTが印加さ
れたときのPDの受光面S上の反射光入射位置、dをa
点とb点との間の距離、lをPDの受光面上のa点から
垂直に延びる軸の変形面N1と間の距離とすると、次式
が成立つ。
式が成立する。
ルクTが測定される。なお、G,D,lを適宜変更する
ことによりセンサ5の感度は自由に設定可能である。
ステアリングホイール8の操作時に操舵軸8aにトルク
が付与されると、トーションバー4の突部15(および
溝部14)はねじれて無負荷状態(図2の二点鎖線)か
ら図2に示すひずんだ形状(図2の実線)になる。する
と図2に示すように、この変形作用によりフォトダイオ
ードPD1は突部の側壁15aによって反射角度θaで
反射された光を受光面S1で受光し、一方、フォトダイ
オードPD2は反射角度θbで反射された光を受光面S
2で受光する。よって各フォトダイオードPD1,PD
2は、それぞれ異なる位置または照度で光を受光するこ
とになる。
は、光検出回路18からそれぞれ2つの出力電圧V
o-,Vo+を入力し、その2つの出力電圧Vo-,Vo+
の差をとることによってブリッジ出力VT(Vo+−Vo
-)を算出する。このブリッジ出力VTは、突部15のひ
ずみ変形に伴ってフォトダイオードPD1,PD2の光
電流ID1,ID2(図2参照)のバランスが変わること
によって変化する値である。そしてブリッジ出力VTか
ら(8)式に示すdが求まり、このdを基に操舵トルクが
算出される。差演算回路19から出力されたブリッジ出
力VTはローパスフィルタ22に入力され、このローパ
スフィルタ22によって遮断周波数以下の所定周波数信
号が減衰される。
4を設けることで突部15は断面が略方形状に形成さ
れ、その突部15の側壁15aで光が反射される。また
図6(b)はブリッジ出力に対するトルク出力特性であ
るが、同図に示すように側壁15aにより反射された光
のブリッジ出力VTはトルク出力(操舵トルク)に対し
一義的に決まる相関関係(ここでは比例関係)を有して
いる。よって、制御装置13はそのブリッジ出力VTに
応じた操舵トルクを算出する。なお図6(a)の実線に
示すように、トルク出力は光の照射先が所定の突部から
次の突部へ移行するときに出力値が「0」となる波形を
とるが、ここではトルク出力が実測されている部分の波
形を繋いだ同図の破線を基にしてトルクを求めている。
応じて正負の値をとり、制御装置13は例えばトルクが
正の値をとるとき右方向に、逆にトルクが負の値をとる
とき左方向に回転していると判断する。そして制御装置
13のモータ駆動回路23は操舵トルクに応じたアシス
ト力を出力軸3に付与するように、検出された回転方向
にアシストモータ7を駆動制御する。よって、操舵トル
クの検出に2つの出力電圧の差をとったブリッジ出力V
Tを用いているので、高い精度でトルクが検出可能とな
る。
回転速度の検出は以下の手順で行う。操舵軸8aが回転
すると、トーションバー4の突部15が順に発光ダイオ
ード17の照射光上を通過する。このとき制御装置13
の加算回路は、光検出回路18から入力するVo-,V
o+の和をとることによってブリッジ出力VN(Vo++
Vo-)算出する。そして加算回路20は、ブリッジ出
力VNの出力波形から操舵軸8a回転時に発光ダイオー
ド17の照射光上を通過する突部15を計数する。
15によって求まる入力パルス数をそのパルス数に応じ
た電圧値に変換し、その電圧値を回転検出回路24に出
力する。回転検出回路24は、F/V変換回路21から
入力する電圧値に基づき回転速度を検出する。そしてこ
の回転速度から、トーションバー4の回転数や回転角度
が検出される。よって、回転速度の検出に2つの出力電
圧の和をとったブリッジ出力VNを用いているので、ト
ーションバー4のねじれによる一方の出力電圧(V
o-,Vo+)の低下がキャンセルされ、高い精度で回転
数や回転角度等が検出可能となる。
転速度の検出方式が非接触式であるので、摺動部位が存
在せず、品質が長期間に亘って維持される。また、ポテ
ンショメータ等を用いた摺動式の場合、その摺動部位の
摩耗やへたり具合に応じてポテンショメータの出力信号
にノイズ等が生じることがあるが、本例のような非接触
式のセンサ5では出力にノイズが混在するような不具合
が生じ難くなり、検出誤差の発生率も低下する。このた
め、長期使用時においても信頼性の高いセンサ5が提供
される。
果を得ることができる。 (1)センサ5を光学式とすることで非接触式にしたの
で、摩耗やへたりが生じる部品がなく、長期間に亘って
品質を維持でき、しかも耐ノイズ特性も高くできる。こ
のため、長期間使用しても誤検出発生率の少ない信頼性
の高いセンサ5を提供することができる。
D2を用い、光の位置または照度に応じて変化する光検
出回路18のブリッジ出力VT,VNをとって、操舵トル
クや回転速度を検出している。従って操舵トルクの場合
には、出力電圧Vo-,Vo+の差をとったブリッジ出力
VTを用いるため、高い精度で操舵トルクを検出でき
る。また回転速度の場合は、出力電圧のVo-,Vo+の
和をとったブリッジ出力VNを用いるため、ねじれによ
る一方の出力電圧(Vo -またはVo+)の低下をキャン
セルでき、回転速度の検出誤差等も生じ難くできる。
ともに、そのセンサ5で回転速度も検出可能であるの
で、1つのセンサ5で操舵トルクと回転速度を検出でき
る。よって、トルク検出用と回転速度検出用でそれぞれ
センサを用意する必要がなくなる。
はなく、例えば、次のように変更してもよい。 ・ トーションバー4に形成される突部は断面形状が略
方形状であることに限らず、図8(a)に示すように断
面形状が略三角形状の突部31でもよい。図8(b)は
断面略三角形状の突部31を採用したときのブリッジ出
力に対するトルク出力特性である。同図の波形からも分
かるように、断面略三角形状の突部31を用いることに
よって、トルク出力が「0」となる間隔が相対的に狭ま
るので、ブリッジ出力に対するトルク出力特性の精度が
向上し、トルクの検出精度が良くなる。
(a)に示すように断面形状が略半円形状の突部32で
もよい。図9(b)は断面略半円形状の突部32を採用
したときのブリッジ出力に対するトルク出力特性であ
る。このとき、トルク出力は正弦波で変調されるため、
トルク出力への高調波の混入が抑制できる。
されず、例えば1つでもよい。このようにフォトダイオ
ードが1つであっても、フォトダイオードに照射される
光の位置や照度はトーションバーのねじれや回転に応じ
て変化することから、その位置や照度の変化に応じた出
力電圧により操舵トルクや回転速度等を検出することも
できる。
PD2に代えて、例えばCCD、フォトトランジスタ、
光電素子等でもよく、要するに光エネルギー(光の量)
を電気信号に変換可能な変換器であればよい。
ーザーダイオード)でもよい。また、光は可視光に代え
て、例えば赤外線でもよい。つまり赤外線センサ等を使
用して操舵トルクや回転速度を検出することもできる。
らず回転速度をも検出できる構成としたが、例えば制御
装置13の加算回路20やF/V変換回路21等を省略
して、操舵トルクのみを検出するセンサにすることもで
きる。
けて、エンコーダから出力される信号をモータ駆動回路
23に入力してアシストモータ7の回転数をフィードバ
ック制御することもできる。
ジ出力VNの出力波形を基に、カウンタによってそのパ
ルス数をカウントし、そのカウントされた値により回転
速度を算出することもできる。
ング装置1に採用されることに限定されない。要するに
回転体を有する装置に搭載され、その回転体にかかるト
ルクや回転数等を検出するセンサに本例のトルクセンサ
を採用することができる。
項以外の技術的思想について、以下にその効果とともに
記載する。 (1)請求項1〜4において、前記突部は前記回転体の
ねじれによって変形し、前記受光手段は前記突部のねじ
れ変形に応じた位置や照度の光を受光する。この場合、
突部の変形作用によってトルクを検出できる。
手段は、回転体が無負荷のときに受光量が等しくなる位
置に配置されている。この場合、効果的にトルクが検出
できる。
断面形状は、略三角形状である。この場合、トルクの検
出精度が良くなる。 (4)請求項1〜4において、前記突部の断面形状は、
略半円形状である。この場合、トルクの出力に高調波が
混入することを抑制できる。
伝達経路上に介在する突部によって変化する光の位置や
照度に基づいて、少なくともトルクを検出する光学式の
非接触式を採用するので、長期間使用しても高い耐久性
および信頼性を確保できる。
構成図。
射されたときの作用図、(b)はそのときのブリッジ出
力に対するトルク出力特性。
説明するための説明図。
照射されたときの作用図、(b)はそのときのブリッジ
出力に対するトルク出力特性。
照射されたときの作用図、(b)はそのときのブリッジ
出力に対するトルク出力特性。
トーションバー、13…制御手段としての制御装置、1
5,31,32…突部、16…凹凸部、17…発光手段
としての発光ダイオード、PD1,PD2…受光手段と
してのフォトダイオード。
Claims (5)
- 【請求項1】 光を回転体に向かって照射する発光手段
と、 前記発光手段から照射されて前記回転体によって反射さ
れた光を受光する受光手段と、 前記回転体に設けられ、前記発光手段と受光手段の間の
光伝達経路上に配置された複数の突部と、 前記突部を設けることで形成される前記回転体の凹凸部
を経由して前記受光手段が得る光の位置又は照度に基づ
き、少なくとも前記回転体にかかるトルクを検出する制
御手段とを備えたことを特徴とする光学式トルク及び回
転センサ。 - 【請求項2】 前記受光手段は2つ設けられ、前記制御
手段は当該各受光手段から検出される2つの検出信号の
差をとってその差の値に基づきトルクを検出することを
特徴とする請求項1に記載の光学式トルク及び回転セン
サ。 - 【請求項3】 前記制御手段は、前記受光手段から検出
される検出信号を基に、前記回転体が回転したときの当
該回転体の突部を計数することによって回転数及び回転
角度のうち少なくとも一方を検出することを特徴とする
請求項1又は2に記載の光学式トルク及び回転センサ。 - 【請求項4】 前記受光手段は2つ設けられ、前記制御
手段は当該各受光手段から検出される2つの検出信号の
和をとってその和の値に基づき前記回転体の前記回転数
及び回転角度のうち少なくとも一方を検出することを特
徴とする請求項1〜3のうちいずれか一項に記載の光学
式トルク及び回転センサ。 - 【請求項5】 請求項1〜4のうちいずれか一項に記載
の前記光学式トルク及び回転センサを備えた電動パワー
ステアリング装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000265638A JP2002071480A (ja) | 2000-09-01 | 2000-09-01 | 光学式トルク及び回転センサ、及び電動パワーステアリング装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000265638A JP2002071480A (ja) | 2000-09-01 | 2000-09-01 | 光学式トルク及び回転センサ、及び電動パワーステアリング装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002071480A true JP2002071480A (ja) | 2002-03-08 |
Family
ID=18752875
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000265638A Pending JP2002071480A (ja) | 2000-09-01 | 2000-09-01 | 光学式トルク及び回転センサ、及び電動パワーステアリング装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2002071480A (ja) |
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